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Die Erfindung betrifft ein großflächiges Flugzeugstrukturbauteil,
welches aus mindestens einem Hautfeld besteht und ein Verfahren
zur Herstellung des großflächigen Flugzeugstrukturbauteils.
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Bei der derzeitigen Fertigung von
großflächigen Strukturbauteilen,
insbesondere Rumpfschalen für
ein Flugzeug, werden Hautbleche bzw. Hautfelder mit Abmessungen
von ca. 2,5 m × 10
m verwendet. Es wird für
die Herstellung der Rumpfschale die maximal mögliche Größe verwendet, um die Anzahl
der Längs-
und Quernähte
und damit das Gewicht des Flugzeugrumpfes zu minimieren. Die Minimierung des
Strukturgewichtes spielt im Flugzeugbau bezüglich des Energiebedarfes und
daher für
die Wirtschaftlichkeit eines Flugzeuges eine wichtige Rolle. Eine
Gewichtsminimierung bedingt eine strukturmechanische Optimierung
und somit sind die Hautbleche je nach Beanspruchung unterschiedlich
dick ausgeführt.
Beispielsweise können Αufdickungen
am Hautblech im Bereich der Stringeranbindung notwendig sein. Die
unterschiedlichen Dickenbereiche des Hautbleches werden derzeit üblicherweise
durch eine Blech/Blech- Vernietung
oder Blech/Blech-Klebung oder mechanisches Fräsen oder durch Chemisch-Abtragen
erzeugt. Das Chemisch-Abtragen eines Hautblechs erfolgt durch Maskieren
der Bleche, Schneiden und partielles Entfernen der Maske und chemisches
Abtragen der freigelegten Fläche.
Die Hautbleche werden zu sogenannte Halbschalen zusammengefügt, wobei
als Fügeverfahren
sowohl das Nieten als auch das Kleben eingesetzt wird. Vor dem Nietvorgang
werden die Bleche und Stringer zum Oberflächenschutz anodisiert, grundiert,
an den Fügeflächen mit
Aktivator gereinigt und mit einer Flächendichtung versehen. Anschließend werden
die Stringer angepasst und mit Heftnieten fixiert. Das Nieten erfolgt
automatisch, wobei an den Fügestellen Dichtmittel
austritt, die eine Dichtraupe bildet, welche per Hand zu glätten ist
und durch eine Schutzschicht gegen aggressive Medien geschützt werden
muss. Beim Kleben werden Hautbleche und Doppler durch Konturfräsen aus
Halbzeugtafeln hergestellt. Die Stringer sind Blechprofile oder
Strangpressprofile, welche abgelängt
und anschließend
umgeformt werden. Vor dem Klebevorgang erhalten die Einzelteile eine
spezielle Klebevorbehandlung. Sie werden entfettet, gereinigt, gebeizt,
in Chromsäure
anodisiert und anschließend
geprimert. Für
das Kleben werden die Klebeflächen
mit einer Klebefolie versehen, die Einzelteile zusammengelegt und
mit Fixierschrauben geheftet. Im Autoklaven wird der Klebstoff unter
Temperatur-, Druck- und Zeiteinfluss gehärtet. Danach muss das Bauteil
gereinigt werden und als Korrosionsschutz mit einer Dichtmittelraupe
und wiederum mit einer Schutzschicht versehen werden.
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Dieser recht aufwendige Fertigungsablauf zur
Herstellung einer Rumpfschalenstruktur ist näher in den VDI-Fortschrittsberichten,
Reihe 2: Fertigungstechnik Nr. 326 Dissertation 07/94 von Dipl.-Ing.
Peter Heider „Lasergerechte
Konstruktion und lasergerechte Fertigungsmittel zum Schweißen großformatiger
Strukturbauteile",
S. 3 bis 5 beschrieben.
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In dieser Druckschrift ist ebenfalls
das Laserstrahlschweißverfahren
zum Herstellen von großformatigen
Strukturbauteilen beschrieben, wobei auf S. 42 ff. des Berichts
mögliche
Bauweisen eines Strukturbauteils aufgezeigt werden. Bei allen Bauweisen wird
aber immer von einem vorhandenen Hautfeld ausgegangen, welches – wie bereits
beschrieben – an
entsprechenden Stellen aufgedickt bzw. abgetragen werden muss und
die größtmöglichen
Abmessungen aufweisen sollte, um die notwendigen Längs- und
Querstöße und damit
das Gewicht zu minimieren.
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In
US
3 023 860 ist eine Rumpfkonstruktion in hüllenartiger
Form beschrieben, die aus Metallblechen aufgebaut ist. Die Metallbleche
sind beispielsweise spiralförmig
gewickelt und bilden eine mehrlagige Struktur, wobei vorzugsweise
ein Flugzeugrumpf derartig aufgebaut sein kann. Gemäß Sp. 4, Z.
73ff. werden die Verbindungen der Metallbleche durch überlappende
Kanten und ein Verschweißen dieser Überlappungen
hergestellt. Das Verbinden der Überlappungsbereiche
erfolgt mittels Punktschweißen.
Derartig geschweißte
Verbindungen sind jedoch korrosionsanfällig, da Feuchtigkeit in diesen
Bereich eintreten und eine ausreichende Festigkeit über einen
langen Zeitraum nicht gewährleistet
werden kann. Somit sind sie für
Luftfahrtstrukturen, die eine Lebensdauer von mindestens 25 Jahren
erreichen müssen,
nicht einsetzbar. Schweiß-Fügeverbindungen gemäß der
US 3 023 860 wurden zum
Herstellen von Strukturbauteilen für die Luftfahrt in der industriellen
Anwendung nicht verwendet und bei der Flugzeugrumpffertigung ist
die vorgenannte Niettechnologie in großem Umfang im Einsatz.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
großflächiges Flugzeugstrukturbauteil
zu schaffen, welches mit einem kostengünstigen und wirtschaftlichen
Fertigungsverfahren herstellbar ist, wobei Fertigungsvorrichtungen
in großen
Abmessungen zu vermeiden sind und das notwendige Einbringen von
Verstärkungen
auf das Hautblech durch Einbringen von zusätzlichen Blechlagen mittels
Nieten oder Kleben bzw. das Abtragen von Blechdicken (mechanisch
oder chemisch) zu minimieren sind. Das Strukturbauteil ist gewichtsoptimiert
auszubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines
Strukturbauteils ist im Anspruch 9 angegeben.
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Dabei ist insbesondere von Vorteil,
dass die Hautbleche nicht mehr in den größtmöglichen Abmessungen verwendet
werden, die dann mit aufwendigen Verfahren zusätzlich verstärkt bzw.
Blechdicke abgetragen werden muss, um ein gewichtssparendes Strukturbauteil,
insbesondere eine Rumpfschalenstruktur zu erzielen.
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Es können kleinere Hautbleche, die
im Fertigungsverfahren auch einfacher zu handhaben sind, mit Stringern
und Spantsegmenten zu großen
Schalen zusammengefügt
wer den. So können
insbesondere Rumpfschalen in einer Größe gefertigt werden, die mit
bisherigen Fertigungsvorrichtungen nicht möglich sind.
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Weiterbildungen und vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 sowie 10 bis 14
angegeben.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Es wird nachstehend anhand der 1 bis 3 näher
beschrieben. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigt:
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1 eine
Darstellung des Fertigungsablaufs bei der Herstellung eines Hautbleches,
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1A die
Entstehung des Biegemomentes bei Überlappungsverbindungen,
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2 eine
Darstellung des Fertigungsablaufs bei der Herstellung von Profilteilen,
wie Stringer, Clip und Spante und
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3 eine
erfindungsgemäße Rumpfschalenstruktur.
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In 1 ist
schematisch der Fertigungsablauf zur Herstellung eines großflächigen Strukturbauteils 1 ersichtlich.
Das Strukturbauteil 1, insbesondere eine Flugzeugrumpfschale,
wird aus mehreren, durch unterschiedliche Dicke bzw. unterschiedliche Materialien
gekennzeichneten Halbzeugen 2, 3, 4 und 5 zusammengesetzt.
Die Halbzeuge 2, 3, 4 und 5 sind
in den Figuren durch eine unterschiedliche Schraffur gekennzeichnet,
um die Dicken- bzw. Materialvariationen der einzelnen Bleche darzustellen.
Bei der Materialauswahl ist zu beachten, daß eine gute Schweißbarkeit
des Werkstoffs gegeben sein muß, was
beispielsweise bei Aluminiumlegierungen wie AlMgSiCu, AlMgLi oder
AlMgSc gegeben ist. Erfindungsgemäß werden die Hautfelder des
Strukturbauteils 1 nur in der Größe zugeschnitten, wie es für die jeweilige
Materialdicke notwendig ist. So ist ersichtlich, daß vom Halbzeug 2,
d. h. beispielsweise eine Blechrolle mit vorgegebener Breite, Dicke
und Material, ein benötigtes
Blechteil 21 in der entsprechenden Länge abgeschnitten wird. Ein
etwas schmaleres Blechteil 22 wird vom gleichen Halbzeug 2 entnommen
und auf die benötigten
Maße zugeschnitten.
Der Blechzuschnitt von den anderen Halbzeugen 3, 4 und 5 erfolgt
in der gleichen Verfahrensweise und es enstehen vom Halbzeug 3 die
Blechteile 31, 32, 33, 34, 35, 36 und 37,
vom Halbzeug 4 die Blechteile 41, 42, 43, 44 und 45 und
vom Halbzeug 5 die Blechteile 51, 52 und 53.
Falls es erforderlich ist, können
die zugeschnittenen Blechteile jetzt chemisch bzw. mechanisch vorbehandelt
oder bearbeitet oder mit Oberflächenschutz
versehen werden. So ist es möglich,
daß bestimmte
Blechteile zu diesem Zeitpunkt chemisch abgetragen werden. Dies
ist beispielsweise erforderlich, wenn eine bestimmte Kontur auf
einem Blechteil erreicht werden soll oder Verstärkungen für Lasteinleitungspunkte notwendig
sind.
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Vorteilhaft ist an diesem Fertigungsablauf, daß nicht
das gesamte Strukturbauteil 1 behandelt bzw. bearbeitet
werden muß,
sondern die noch nicht zusammengefügten einzelnen Blechteile.
Damit ist erreicht, daß die
Vorrichtungen zum Transport der Blechteile sowie das chemische Bad
nicht der Maximalgröße der Rumpfschale,
sondern nur den Abmessungen des größten einzelnen Blechteils entsprechen
müssen,
was insbesondere die Möglichkeit
eines kostengünstigen
chemischen Bades sowie dessen verbesserte Auslastung eröffnet.
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Als weiteren Verfahrensschritt werden
nach dem Zuschnitt der Blechteile 21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44,. 45, 51, 52 und 53 und
einer eventuellen chemischen bzw. mechanischen Vorbehandlung die
Vielzahl von Blechteilen zu einem großen Hautfeld bzw. Hautblech 1A zusammengeschweißt. Das
Zusammenfügen
erfolgt vorzugsweise stumpf mittels Laserstrahlschweißen, da
mit diesem Verfahren eine hohe Schweißprozeßgeschwindigkeit erreicht werden
kann (derzeit bis ca.10 bis 15 m/min) und fehlerarm, verzugsarm
und wirtschaftlich gefertigt werden kann. Als ein weiteres Fügeverfahren zum
Erzeugen von Stumpfnähten
ist das Reibrührschweißen anwendbar,
wie es beispielsweise in der Patentanmeldung WO 93/10935 beschrieben
ist. Die Stumpfnahtschweißungen
werden vorzugsweise dort vorgenommen, wo Dickensprünge aufgrund
der Auslegung der Rumpfschale sowieso notwendig sind. Somit kann
das Hautfeld 1A mit den notwendigen Dickenanpassungen der
einzelnen Blechteile 21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44,. 45, 51, 52 und 53 optimal
den Anforderungen und Belastungsfällen der fertigen Rumpfschale
bzw. des fertigen Rumpfes angepaßt werden, wobei zusätzliche
Verstärkungen
sowie chemisches bzw. mechanisches Abtragen von Material am Hautfeld 1 minimiert
werden oder sogar ganz wegfallen können. Die Schweißnahtgeometrie
und der Verlauf der Schweißnaht
können
am Hautfeld 1A bzw. am Strukturbauteil 1 so ausgelegt
werden, daß weitere
Funktionen ermöglicht
werden wie der Einsatz als Rißstopper
(auch Dummyschweißnaht
genannt). Mit einem Rißstopper wird
durch das entsprechende Schweißnahtdesign das
Spannungsniveau reduziert und ein möglicher Rißfortschritt im Material wird
verzögert.
Weiterhin kann das Spannungsniveau von Hautfeldverbindungen positiv
beeinflußt
werden durch den Entfall des Biegemomentes aus der Längsnahtüberlappung.
Zur Erläuterung
ist in 1A die Entstehung
des Zusatzmomentes bei Überlappungsverbindungen
dargestellt. Aufgrund des herrschenden Innendruckes P, der auf die
Rumpfschale und den beispielhaft dargestellten Hautfeldern 200 und 300 wirkt,
entsteht eine auf die Hautfelder 200 und 300 wirkende
Umfangskraft F. Durch die Überlappung
von Bereichen der Hautfelder 200 und 300 entsteht
ein Hautfeldversatz S. Um diesen Abstand S versetzt greift die Umfangskraft
F am entsprechenden Hautfeld 200 bzw. 300 an und
es entsteht ein Biegemoment, welches das Spannungsniveau negativ
beeinflußt.
Mit dem Wegfall von Überlappungsverbindungen
tritt somit auch dieses Zusatzmoment mit seinen negativen Wirkungen
nicht mehr auf.
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Nach dem Herstellen des Hautfeldes 1A durch
Stumpfnahtschweißungen
der einzelnen Blechteile 21, 22, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 41, 42, 43, 44,. 45, 51, 52 und 53 ist
als letzter Schritt das Biegen bzw. Umformen des Hautbleches 1A zum sphärisch gekrümmten Strukturbauteil 1 vorgesehen. Dieser
Umformprozeß ist
entsprechend der zu erreichenden Krümmung mit bekannten Umformverfahren,
beispielsweise durch Streckziehen und/oder Walzen durchzuführen.
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In 2 ist
schematisch und beispielhaft der Fertigungsablauf für die Herstellung
von Profilteilen dargestellt.
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Die Profilteile werden ebenfalls
aus Halbzeugen 6, 7, 8 und 9 zusammengefügt. Die
Halbzeuge 6, 7, 8 und 9 bestehen
vorzugsweise aus unterschiedlichem Material bzw. unterschiedlichen
Dicken, die bedarfsweise zugeschnitten und zusammengefügt werden
können.
Gezeigt ist beispielsweise ein Profilteil 10, welches aus
den Zuschnitteilen 61 und 91 zusammengeschweißt wurde.
Ein weiteres Profilteil 11 ist aus den Zuschnitteilen 62 und 81 zusammengefügt. Vor
dem Verschweißen
ist es möglich,
daß die entsprechenden
Zuschnitteile 61, 91, 62 und 81 umgeformt
oder mechanisch bearbeitet werden. So können ganz individuell Profilteile
nach Bedarf hergestellt werden, ohne daß hohe Lagerhaltungskosten für entsprechende
Fertigteile entstehen. Aufgrund einer rechnergestützten Fertigung
ist es möglich,
die entsprechenden Profilgeometrien je nach Bedarf abzurufen und
damit beispielsweise für
Flugzeugfamilien, deren Profilgeometrien als Daten vorhanden sind,
jeweils die benötigten
Profilteile wie Spante, Clip, Stringer oder Beschläge zu fertigen.
Ersichtlich sind noch weitere Profilteile 12, 13, 14 und 15,
wobei erkennbar ist, daß unterschiedliche
Profilformen zur Anwendung kommen können.
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Nach Fertigstellung der Profilteile,
die als Spant, Clip und Stringer ausgebildet sind, werden diese
für die
Herstellung eine Rumpfschale eines Flugzeuges als Verstärkung in
das Strukturbauteil 1 eingebracht. Eine fertige Rumpfschale 100 ist
ausschnittsweise in 3 dargestellt.
Die Rumpfschale 100 weist ein Hautfeld 1C auf,
welches beispielsweise aus mehreren Blechteilen gemäß des in 1 beschriebenen Fertigungsverfahrens
zusammengefügt wurde.
Ersichtlich sind z.B. Stumpfnähte 101 und 102.
Weitere Längsstumpfnähte können durch
die Anordnung von Stringern auf dem Hautfeld 1C verdeckt
werden. Die gemäß dem Fertigungsverfahren nach 2 oder aber in üblicher
Bauweise hergestellten Stringer 103, 104, 105 und 106 werden
auf dem Hautblech 1A bzw. am Strukturbauteil 1 in
Flugzeuglängsrichtung
zur Versteifung des Rumpfschale angeordnet. Die Stringer 103 bis 106 werden
vorzugsweise mittels Schweißverfahren
angefügt. Spante 107 und 108 sind
an der Rumpfschale 100 quer zur Flugzeuglängsrichtung
angeordnet. Sie dienen u. a. der Lasteinleitung aus den Leitwerken,
die über
Beschläge
an den Spanten angeordnet ist. Die Spante 107 bzw. 108 sind
mittels im Flugzeugbau bekannter Spant-/Clip-Nietverbindungen an
den Stringern 103 bis 106 befestigt. Es ist ebenfalls
möglich, auch
die Profilteile Spant bzw. Clip mit der entsprechenden Partnerstruktur
mit dem Verfahren Schweißen
an der Rumpfstruktur 100 anzufügen.