DE60200504T2

DE60200504T2 - Verfahren zum herstellen eines verbundmaterialtrageflügels und verbundmaterial-trageflügel

Info

Publication number: DE60200504T2
Application number: DE60200504T
Authority: DE
Inventors: Shigeki Shinjuku-ku Tanaka; Atsushi Shinjuku-ku Harada
Original assignee: Fuji Jukogyo KK; Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: US6776371B2; DE60200504D1; EP1288124B1; US20030042364A1; EP1288124A1; JP2003072691A; JP4574086B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterial-Tragflügels sowie einen Verbundmaterial-Tragflügel und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterial-Tragflügels zum Befestigen einer Außenhaut-Unterteilkonstruktion und einer Außenhaut-Oberteilkonstruktion mittels einer mechanischen Befestigungseinrichtung sowie einen Verbundmaterial-Tragflügel, der mit diesem Herstellungsverfahren hergestellt werden kann.
Beschreibung des Stands der Technik
Seit einigen Jahren wird häufig eine Flügelkastenkonstruktion für den Haupttragflügel eines Flugzeugs unter Verwendung von nicht nur Metallmaterial, sondern auch von Verbundmaterial hergestellt, das aus einem leichten/hochfesten glasfaserverstärkten Kunststoff (nachstehend einfach als "Verbundmaterial" bezeichnet) besteht.
Beispielsweise gibt es ein Verfahren zum Herstellen der Flügelkastenkonstruktion des Haupttragflügels, wobei die obere/untere Außenhaut, der Vorder-/Hinterholm, die Versteifungselemente, wie etwa die Stringer usw., welche die Flügelkastenkonstruktion bilden, und die Verbindungselemente, wie etwa das Scherverbindungsstück usw., separat aus dem Verbundmaterial gefertigt und diese Teile dann mittels der mechanischen Befestigungseinrichtungen, wie Bolzen, Muttern, Stiften, Nieten usw. (nachstehend als "Befestigungseinrichtungen" bezeichnet) oder mittels eines Klebstoffs befestigt oder haftend verbunden werden.
Ferner gibt es ein Verfahren zum Herstellen der Flügelkastenkonstruktion des Haupttragflügels durch integrale Fertigung der vorderen Konstruktion der Flügelkastenkonstruktion, die aus dem Vorderholm, der Außenhaut und den Versteifungselementen besteht (nachstehend als "Vorderholmkonstruktion" bezeichnet), bzw. der hinteren Konstruktion der Flügelkastenkonstruktion, die aus dem Hinterholm, der Außenhaut und den Versteifungselementen gebildet ist (nachstehend als "Hinterholmkonstruktion" bezeichnet), entweder mit der Resin-Transfer-Molding-Methode (RTM-Methode) oder der Resin-Film-Infusion-Methode (RFI-Methode) und anschließendem Verbinden dieser Teile mit Befestigungseinrichtungen.
Bei dem Verfahren zur Fertigung der Flügelkastenkonstruktion des Haupttragflügels durch separate Fertigung entsprechender Teile, wie etwa der Außenhaut, des Vorder- und des Hinterholms, der Versteifungselemente, der Verbindungselemente usw. aus dem Verbundmaterial und anschließendes Verbinden dieser Teile mittels der Befestigungseinrichtungen, ist der Aushärtungs-/Formpreßvorgang häufig für jedes Teil verschieden. Aus diesem Grund ist es zeitaufwendig, eine Vielzahl von Teilen mit den begrenzten Einrichtungen zu fertigen/herzustellen, so daß der Fertigungszyklus lang dauert.
Ferner werden bei dem Verfahren, bei dem die oben genannten Teile separat aus dem Verbundmaterial gefertigt und dann mit Hilfe der Befestigungseinrichtungen miteinander verbunden werden, häufig zwischen den jeweiligen miteinander verbundenen Teilen Spielräume erzeugt (z. B. durch den Verbindungsbereich zwischen dem Holm und der Außenhaut, dem Verbindungsbereich zwischen der Außenhaut und den Versteifungselementen usw.).
Da die Flügelkastenkonstruktion des Haupttragflügels auch als Treibstofftank verwendet wird, muß zum Ausfüllen solcher Zwischenräume ein Abdicht- bzw. Versiegelungsverfahren angewandt werden, oder die Gestalt von benachbarten Bereichen der Verbindungsbereiche zwischen den jeweiligen Teilen muß verändert werden. Es ist daher viel Zeit und Arbeit erforderlich, um die Feineinstellung oder die Ausrichtung vor dem Verbindungsvorgang auszuführen, und dadurch steigen die Produktionskosten.
Bei dem Verfahren zur Fertigung der Flügelkastenkonstruktion des Haupttragflügels, bei dem die Teile separat aus dem Verbundmaterial gefertigt und dann mit Klebstoff miteinander verbunden werden, was dem oben angegebenen Verfahren unter Verwendung der Befestigungseinrichtungen gleicht, ist es zeitaufwendig, eine Vielzahl von Teilen mit den begrenzten Einrichtungen zu fertigen/herzustellen, und somit wird der Fertigungszyklus länger.
Bei dem Verfahren, bei dem die jeweiligen Teile mit Klebstoff miteinander verbunden werden, werden außerdem auch die Spielräume in dem Verbindungsbereich zwischen den jeweiligen Teilen gebildet. Da diese Spielräume mit dem Klebstoff ausgefüllt werden müssen, ist viel Zeit und Arbeit erforderlich, so daß die Produktionskosten steigen.
Bei dem Verfahren zum Herstellen der Flügelkastenkonstruktion des Haupttragflügels durch integrale Fertigung der Vorderholmkonstruktion und der Hinterholmkonstruktion unter Anwendung des RTM-Verfahrens und anschließendes Verbinden dieser Konstruktion mit den Befestigungseinrichtungen weisen die Vorderholmkonstruktion und die Hinterholmkonstruktion große und komplizierte Hohlräume auf, so daß zum Formen dieser Hohlräume spezielle Formwerkzeuge mit geteilten Kernen benötigt werden.
Die Herstellungskosten für die Fertigung der Formwerkzeuge mit Spezialkern sind somit höher. Außerdem muß vor der Fertigung der Vorderholmkonstruktion und der Hinterholmkonstruktion ein Formtrennvorgang bei den speziellen Formwerkzeugen mit geteilten Kernen angewandt werden, und außerdem müssen die speziellen Formwerkzeuge mit geteilten Kernen nach der Fertigung getrennt und gesäubert werden. Dadurch erhöhen sich die Fertigungskosten.
Das Dokument EP-A-1 070 661 zeigt einen Verbundmaterial-Tragflügel, der folgendes aufweist: einen Vorderholm und einen Hinterholm, eine untere Verbundmaterial-Außenhaut, eine obere Verbundmaterial-Außenhaut, die mit einer mechanischen Befestigungseinrichtung an dem Vorderholm und dem Hinterholm befestigt ist, eine Vielzahl von Stringern, die mit einem Klebstoff integral mit Innenflächen der unteren Außenhaut und der oberen Außenhaut verbunden sind, so daß sie sich in einer Tragflügel-Spannweitenrichtung erstrecken, und Rippen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterial-Tragflügels anzugeben, das imstande ist, die zur Herstellung erforderliche Arbeit und die Montagezeiten zu verringern und dadurch die Fertigungskosten erheblich zu senken, und einen Verbundmaterial-Tragflügel anzugeben, der mit diesem Herstellungsverfahren hergestellt werden kann.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe gibt die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Verbundmaterial-Tragflügel gemäß Anspruch 3 an.
Mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 kann der Zeit- und Arbeitsaufwand zur separaten Fertigung/Vorbereitung der Teile, wie der unteren/oberen Außenhaut, des Vorder-/Hinterholms, der Rippengurte usw., die unterschiedliche Härtungsprozesse haben, verringert werden. Infolgedessen kann der Produktionszyklus des Verbundmaterial-Tragflügels erheblich verkürzt werden.
Ferner wird aufgrund der Flexibilität der Prepregs in den befestigten Bereichen zwischen den jeweiligen gefertigten Teilen, wie beispielsweise den befestigten Bereichen des Vorder-/Hinterholms und der Außenhäute, den befestigten Bereichen zwischen den Stringern und der Außenhaut, niemals ein Spielraum erzeugt.
Daher können der Vorgang des Befestigens jeweiliger Teile mit den Befestigungseinrichtungen, der Abdichtvorgang zum Verdecken der Spielräume in den befestigten Bereichen jeweiliger Teile, der Vorgang der Reparatur der Gestalt jeweiliger Teile nahe den befestigten Bereichen, der Vorgang des haftenden Verbindens jeweiliger Teile mittels des Klebstoffs und der Vorgang des Ausfüllens der Spielräume in den befestigten Bereichen zwischen den Teilen mit dem Klebstoff entfallen. Somit kann der für diese Vorgänge erforderliche Zeit- und Arbeitsaufwand verringert werden. Infolgedessen können die Herstellungskosten für den Verbundmaterial-Tragflügel erheblich gesenkt werden.
Ferner ist es nicht notwendig, die Formwerkzeuge mit speziellen geteilten Kernen zu verwenden, wenn die Außenhaut-Unterteilkonstruktion und die Außenhaut-Oberteilkonstruktion gefertigt werden. Somit können die Herstellungskosten der speziellen Formwerkzeuge mit geteiltem Kern gesenkt werden. Außerdem können der Entformungsschritt für die Formwerkzeuge mit Spezialkern und die Teilungs-/Säuberungsschritte der Formwerkzeuge mit Spezialkern entfallen. Infolgedessen können die Herstellungskosten des Verbundmaterial-Tragflügels sehr stark gesenkt werden, und der Schritt der Fertigung des Verbundmaterial-Tragflügels kann beträchtlich vereinfacht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterial-Tragflügels gemäß dem ersten Aspekt angegeben, wobei der Vorderholm und der Hinterholm, die im vorgehärteten Zustand geformt werden, mit Hilfe eines Resin-Transfer-Molding-Verfahrens (RTM-Verfahrens) oder eines Resin-Film-Infusion-Verfahrens (RFI-Verfahrens) hergestellt werden.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung können nicht nur die Vorteile der Erfindung gemäß dem ersten Aspekt ebenfalls erzielt werden, sondern der Vorder-/Hinterholm hoher Güte können effektiv hergestellt werden, da das RTM-Verfahren oder das RFI-Verfahren angewandt wird, ohne daß das Prepreg verwendet wird, wenn der Vorderholm und der Hinterholm in dem vorgehärteten Zustand geformt werden sollen. Infolgedessen kann der Verbundmaterial-Tragflügel hoher Güte auf effektive Weise hergestellt werden.
Bei dem Verbundmaterial-Tragflügel gemäß Anspruch 3 kann eine ausreichende Festigkeit gewährleistet werden, und der Abdichtvorgang zum Ausfüllen der Spielräume in den befestigten Bereichen zwischen jeweiligen Teilen, der Vorgang der Reparatur der Gestalt jeweiliger Teile nahe den befestigten Bereichen, der Schritt des haftenden Verbindens von Teilen mittels Klebstoff und der Vorgang des Ausfüllens der Spielräume in den befestigten Bereichen zwischen den Teilen mittels Klebstoff können entfallen. Somit können der Zeit- und Arbeitsaufwand für diese Vorgänge verringert werden, und die Herstellungskosten können erheblich gesenkt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektivansicht, die eine Flügelkastenkonstruktion eines Verbundmaterial-Tragflügels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, wobei der Zustand gezeigt ist, bevor eine Außenhaut-Oberteilkonstruktion und eine Außenhaut-Unterteilkonstruktion über Rippen befestigt werden;
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Bereichs II-II in dem Zustand, in dem die Rippen an der in 1 gezeigten Außenhaut-Unterteilkonstruktion befestigt sind;
3 ist eine Seitenansicht, die ein Herstellungsverfahren für eine Verbundmaterial-Flügelkastenkonstruktion gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Formwerkzeug zu sehen ist, das beim Aushärten eines Unterrippengurt-Prepregs verwendet wird;
4A und 4B zeigen das Herstellungsverfahren für die Verbundmaterial-Flügelkastenkonstruktion gemäß der Ausführungsform der Erfindung, wobei 4A die Außenhaut-Unterteilkonstruktion von 2 von oben zeigt und 4B eine vergrößerte Ansicht entlang einem Bereich B-B in 4A ist; und
5 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Bereichs V-V (eines der Flügelspitze benachbarten Bereichs) in dem Zustand, in dem die Außenhaut-Oberteilkonstruktion an der Außenhaut-Unterteilkonstruktion gemäß 1 befestigt ist (ohne Zwischenfügung der Rippen).
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird nachstehend ein Verfahren zur Herstellung eines Tragflügels eines Luftfahrzeugs erläutert.
Ein mit dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellter Tragflügel hat eine Flügelkastenkonstruktion 10 mit einem Kastenquerschnitt, die durch Verbinden einer Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und einer Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 über Rippen 40 (siehe 1) aufgebaut ist.
Die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 ist eine Konstruktion aus einem Verbundmaterial und hat eine untere Außenhaut 21, einen Vorderholm 23, einen Hinterholm 22, Unterstringer 24 und untere Rippengurte 25. Die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 bildet die Flügelkastenkonstruktion 10 vom Kastentyp, wenn sie über die Rippen 40 an der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 befestigt ist.
Die untere Außenhaut 21 ist ein Teil, das eine aerodynamische Kraft aufnimmt, die auf die untere Oberfläche des Haupttragflügels wirkt, und ihre Oberflächengestalt ist als Oberflächengestalt der unteren Oberfläche des Haupttragflügels geformt.
Der Vorderholm 22 und der Hinterholm 23 sind Teile, die vor bzw. hinter der unteren Außenhaut 21 angebracht sind und die Biegelast, die Scherlast und die Torsionslast aufnehmen, die auf den Haupttragflügel wirken. Wie 2 zeigt, hat der Vorderholm 22 bzw. der Hinterholm 23 Stege 22a, 23a und Flansche 22b, 23b. Rippenpfosten 22c, 23c sind zwischen den beiden Flanschen 22b, 23b des Vorderholms 22 bzw. des Hinterholms 23 vorgesehen.
Die Rippenpfosten 22c, 23c sind Bereiche, die wirksam sind, wenn die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 an der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 über die Rippen 40 befestigt ist und die noch zu beschreibenden Rippen 40 an den Rippenpfosten 22c, 23c befestigt sind, wie 2 zeigt. Außerdem sind Versteifungselemente 23d an den Stegen 22a, 23a des Vorderholms 22 und des Hinterholms 23 vorgesehen (siehe 1).
Die Unterstringer 24 sind ein langes Teil, das sich in der Längsrichtung der unteren Außenhaut 21 (d. h. der Spannweitenrichtung des Haupttragflügels) erstreckt, und eine Vielzahl von Unterstringern 24 ist in der Breitenrichtung der unteren Außenhaut 21 (d. h. der Gurtrichtung des Haupttragflügels) ausgefluchtet angebracht (siehe 1). Die Unterstringer 24 sind Versteifungselemente zum Versteifen der Spannweitenrichtung des Haupttragflügels und haben bei der vorliegenden Ausführungsform eine hutartige Querschnittsform, wenn sie senkrecht zu der Längerichtung geschnitten sind (siehe 2).
Die Unterrippengurte 25 sind Teile, die sich in der Breitenrichtung der unteren Außenhaut 21 (d. h. der Gurtrichtung des Haupttragflügels) erstrecken, und eine Vielzahl von Unterrippengurten 25 ist in der Längsrichtung der unteren Außenhaut 21 (d. h. der Spannweitenrichtung des Haupttragflügels) ausgefluchtet und an der Oberseite der Unterstringer 24 angebracht (siehe die 1 und 2).
Diese Unterrippengurte 25 sind Bereiche, die wirksam sind, wenn die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 an der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 befestigt ist und die noch zu beschreibenden Rippen 40 an den Unterrippengurten 25 befestigt sind, wie 2 zeigt.
Die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 ist eine Konstruktion aus einem Verbundmaterial und hat eine obere Außenhaut 31, Oberstringer 34 und Oberrippengurte 35 und bildet die Flügelkastenkonstruktion 10, wenn sie an der oben erläuterten Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 befestigt ist. Die obere Außenhaut 31 ist ein Teil, das die aerodynamische Kraft aufnimmt, die auf eine obere Oberfläche des Haupttragflügels aufgebracht wird, und ihre Oberflächengestalt ist als Oberflächengestalt der oberen Oberfläche des Haupttragflügels geformt.
Die Oberstringer 34 sind lange Teile, die sich in Längsrichtung der oberen Außenhaut 31 erstrecken (d. h. in der Spannweitenrichtung des Haupttragflügels), und eine Vielzahl von Oberstringern 34 ist so angebracht, daß sie in der Breitenrichtung der oberen Außenhaut 31 (d. h. der Gurtrichtung des Haupttragflügels) ausgerichtet sind (siehe 5).
Die Oberstringer 34 sind Versteifungselemente zum Verstärken der Spannweitenrichtung des Haupttragflügels gemeinsam mit den Unterstringern 24 und haben bei der vorliegenden Ausführungsform eine hutartige Querschnittsform, wenn sie senkrecht zu der Längsrichtung geschnitten sind (siehe 5).
Die Oberrippengurte 35 sind Teile, die sich in der Breitenrichtung der oberen Außenhaut 31 erstrecken (d. h. in der Gurtrichtung des Haupttragflügels), und eine Vielzahl von Oberrippengurten 35 ist in der Längsrichtung der oberen Außenhaut 31 (d. h. in der Spannweitenrichtung des Haupttragflügels) ausgerichtet und an der Oberseite der Oberstringer 34 angebracht (siehe 5).
Die Oberrippengurte 35 sind Bereiche, die wirksam sind, wenn die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 an der Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 befestigt ist und die noch zu beschreibenden Rippen 40 an den Oberrippengurten 35 befestigt sind.
Die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 sind über die Rippen 40 aneinander befestigt und bilden die Flügelkastenkonstruktion 10. Dabei werden die Rippen 40 an den Rippenpfosten 22c, 23c des Vorderholms 22 und des Hinterholms 23 und den Unterrippengurten 25 mittels Befestigungseinrichtungen 50 befestigt, und dann werden die Oberrippengurte 35 der Außenhaut- Oberteilkonstruktion 30 an den Rippen 40 mittels der Befestigungseinrichtungen 50 befestigt, so daß die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 aneinander befestigt sind (siehe 5).
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der Flügelkastenkonstruktion 10 erläutert. Da das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung folgendes aufweist:

(1) einen Schritt der Herstellung der Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 (Außenhaut-Unterteilkonstruktion-Herstellungsschritt),
(2) einen Schritt der Herstellung der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 (Außenhaut-Oberteilkonstruktion-Herstellungsschritt), und
(3) einen Schritt des Befestigens der Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 (Außenhaut-Oberteil- und -Unterteilkonstruktion-Befestigungsschritt), wird dieses Verfahren nachstehend in der angegebenen Reihenfolge erläutert.

(1) Außenhaut-Unterteilkonstruktion-Herstellungsschritt
In diesem Schritt wird die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 integral hergestellt. Zuerst werden der Vorderholm 22 und der Hinterholm 23, die die Rippenpfosten haben, und die Unterstringer 24 durch Vorhärten des wärmehärtbaren Harzes hergestellt. Die in diesem Schritt hergestellten jeweiligen Teile werden vollständig ausgehärtet durch Beaufschlagen mit Druck/Erwärmen in den später zu beschreibenden Aushärtungs-/Formschritten (siehe die 1 und 2).
Der Vorderholm 22, der Hinterholm 23 und die Unterstringer 24 können hergestellt werden unter Anwendung eines RTM- bzw. Resin-Transfer-Molding-Verfahrens oder eines RFI- bzw. Resin-Film-Infusion-Verfahrens. Insbesondere können sie hergestellt werden durch Anordnen eines trockenen Vorformlings (aus verstärktem Fasermaterial) auf einem vorgegebenen unteren Formwerkzeug, anschließendes Abdecken der resultierenden Oberfläche mit einer Umschließungsfolie, anschließendes Einleiten des oben erwähnten bestimmten wärmehärtbaren Harzes in den umschlossenen Bereich, so daß der trockene Vorformling mit dem wärmehärtbaren Harz getränkt wird, und anschließendes Vorhärten dieses trockenen Vorformlings durch Beaufschlagen mit Druck/Erwärmen (RTM-Verfahren).
In einem anderen Fall können sie hergestellt werden durch aufeinanderfolgendes Laminieren einer wärmehärtbaren Harzschicht und des trockenen Vorformlings auf dem vorgegebenen unteren Formwerkzeug, anschließendes Abdecken einer resultierenden Oberfläche mit der Umschließungsschicht, anschließendes Schmelzen der wärmehärtbaren Harzschicht durch Beaufschlagen mit Druck/Wärme, so daß der trockene Vorformling mit dem wärmehärtbaren Harz getränkt wird, und anschließendes Vorhärten dieses trockenen Vorformlings (RFI-Verfahren).
Außerdem können der Vorderholm 22, der Hinterholm 23 und die Unterstringer 24 durch Anwendung des Prepreg-Laminierverfahrens hergestellt werden. Dabei können sie hergestellt werden durch Laminieren von Prepregs (d. h. dünnen Plattenelementen, in denen Bündel von verstärkten Fasern mit dem wärmehärtbaren Harz im ungehärteten Zustand getränkt werden) des Vorderholms, des Hinterholms und der Unterstringer auf dem vorgegebenen unteren Formwerkzeug mit einer vorbestimmten Dicke und anschließendes Beaufschlagen dieser Prepregs mit Druck/Wärme, um sie vorzuhärten.
Als Arten von verstärkten Fasern, welche die oben erwähnten Vorformlinge und Prepregs bilden, können Glasfasern, Karbonfasern, Aramidfasern, Aluminiumoxidfasern usw. angeführt werden. Ferner wird davon ausgegangen, daß in diesem Schritt das spezielle wärmehärtbare Harz verwendet wird, das in zwei Schritten ausgehärtet werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Vorhärtbedingungen mit drei Stunden bei 110°C vorgegeben.
Dann wird das Untere-Außenhaut-Prepreg auf dem unteren Formwerkzeug laminiert, das die Oberflächengestalt der unteren Oberfläche des Haupttragflügels hat (Untere-Außenhaut-Prepreg-Laminierschritt). Wenn das untere Formwerkzeug die Steifigkeit/Warmfestigkeit hat, die dem Beaufschlagen mit Druck/Wärme in den noch zu beschreibenden Aushärtungs-/Formschritten standhalten kann, besteht keine Einschrän kung hinsichtlich des Materials des unteren Formwerkzeugs. Als wärmehärtbares Harz, das die hier verwendeten Prepregs bildet, können Epoxidharz, Phenolharz, verbrücktes Polyethylen, Polyimid usw. verwendet werden. Dabei wird speziell Epoxidharz bevorzugt.
Anschließend werden der Vorderholm 22, der Hinterholm 23 und die Unterstringer 24 mittels eines Klebstoffs auf dem Untere-Außenhaut-Formprepreg angeordnet. Der dabei verwendete Klebstoff ist ein wärmehärtbarer Klebstoff, der auf der Basis des Epoxidharzes, des Phenolharzes usw. gebildet ist und der durch Erwärmen in den später zu beschreibenden Aushärtungs-/Formschritten ausgehärtet werden kann. Der Klebstoff kann als Schicht, als Flüssigkeit, als Pulver usw. vorliegen, aber der schichtartige Klebstoff wird bevorzugt, da ein solcher Klebstoff leicht handhabbar und hinsichtlich seiner Güte gleichbleibend ist. In diesem Fall wird die Gestalt der vorgehärteten Teile durch diesen Schritt niemals verformt.
Danach werden Unterrippengurt-Prepregs 25' geformt (Unterrippengurt-Prepreg-Formschritt). Dabei wird ein Rippengurt-Formwerkzeug, das sich von dem oben erwähnten Untere-Oberfläche-Formwerkzeug unterscheidet, bereitgestellt, und dann werden auf diesem Rippengurt-Formwerkzeug die Unterrippengurt-Prepregs 25' durch Laminieren der Prepregs geformt, die die zum Formen der Unterrippengurte 25 notwendige Anzahl von Flächenkörpern aufweisen.
Wie 3 zeigt, hat das Unterrippengurt-Prepreg 25' einen vertikalen Bereich 25'a und horizontale Bereiche 25'b. Wie 4A zeigt, werden die horizontalen Bereiche 25'b in dem Zustand ausgehärtet/geformt, in dem diese Teile mit dem Untere-Außenhaut-Prepreg und den Unterstringern 24 in Kontakt gebracht werden, so daß die horizontalen Bereiche 25b gebildet werden. Wie 4B zeigt, wird ferner der vertikale Bereich 25'a ausgehärtet/geformt, um einen vertikalen Bereich 25a zu bilden, der als Befestigungseinrichtung an den Rippen 40 dient.
Danach wird das vorbereitete Unterrippengurt-Prepreg 25' zwischen den Rippenpfosten 22c, 23c des Vorderholms 22 und des Hinterholms 23 und auf dem unteren Außenhaut-Prepreg über den Unterstringern 24 mittels Klebstoff angeordnet.
Dann werden das untere Außenhaut-Prepreg, der Vorderholm 22, der Hinterholm 23, die Unterstringer 24 und das Unterrippengurt-Prepreg 25' mit einer Abdeckeinrichtung abgedeckt (Abdeckschritt). Dieses Unterrippengurt-Prepreg 25' hat nicht die Steifigkeit, welche der Vorderholm 22, der Hinterholm 23 und die Unterstringer 24 haben.
Ferner wird zum Formen der Unterrippengurte 25 auf solche Weise, daß sie zu der inneren Gestalt der unteren Außenhaut 21 passen, ein Rippengurtstützwerkzeug 60 zur Abstützung des vertikalen Bereichs 25'a des Unterrippengurt-Prepregs 25' auf den horizontalen Bereichen 25'b angeordnet, und dann werden die Außenseiten des vertikalen Bereichs 25'a und des Rippengurtstützwerkzeugs 60 mit einer Rippengurtabdeckschicht 70 (siehe 3) abgedeckt.
Danach wird die Gesamtheit aus dem unteren Außenhaut-Prepreg, dem Vorderholm 22, dem Hinterholm 23, den Unterstringern 24 und dem Unterrippengurt-Prepreg 25' abgedeckt. Als Abdeckeinrichtung kann eine Abdeckschicht bzw. -folie, ein Kautschukformbeutel usw. verwendet werden.
Dann wird die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 integral geformt durch Druck-/Wärmebeaufschlagung derjenigen Bereiche, die mit der Abdeckeinrichtung abgedeckt sind, während sie gleichzeitig evakuiert werden (Aushärtungs-/Formschritt). Dieser Druckbeaufschlagungs-/Erwärmungsschritt kann unter Verwendung eines Autoklaven oder eines Ofens ausgeführt werden.
In diesem Schritt kann das Verkleben des Vorderholms 22, des Hinterholms 23, der Unterstringer 24 und des Unterrippengurt-Prepregs 25' mit dem Untere-Außenhaut-Prepreg, das Aushärten des Untere-Außenhaut-Prepregs und des Unterrippengurt-Prepregs 25' sowie das vollständige Aushärten des Vorderholms 22, des Hinterholms 23 und der Unterstringer 24 gleichzeitig ausgeführt werden.
(2) Außenhaut-Oberteilkonstruktion-Herstellungsschritt
Dieser Schritt ist der Schritt der integralen Herstellung der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30. Bei diesem Schritt entfällt nachstehend die Erläuterung in bezug auf Bereiche, die mit dem Außenhaut-Unterteilkonstruktion-Herstellungsschritt im wesentlichen identisch sind.
Zuerst werden die Oberstringer durch Vorhärten des wärmehärtbaren Harzes hergestellt. Die Oberstringer, die mit diesem Schritt hergestellt werden, werden in dem noch zu beschreibenden Aushärtungs-/Formschritt durch Beaufschlagen mit Druck/Wärme vollständig ausgehärtet. Dann wird das obere Außenhaut-Prepreg auf das obere Formwerkzeug laminiert, das die Oberflächengestalt der Oberseite des Tragflügels hat (Obere-Außenhaut-Prepreg-Laminierschritt), und dann werden die Oberstringer auf dem oberen Außenhaut-Prepreg mittels Klebstoff angebracht.
Dann wird das Oberrippengurt-Prepreg geformt (Oberrippengurt-Prepreg-Formschritt). Obwohl dies nicht gezeigt ist, hat das Oberrippengurt-Prepreg ebenso wie das Unterrippengurt-Prepreg 25' einen vertikalen Bereich und horizontale Bereiche. Der vertikale Bereich wird ausgehärtet/geformt und wirkt als Befestigungseinrichtung an den Rippen 40.
Dann wird das Oberrippengurt-Prepreg mittels Klebestoff auf dem oberen Außenhaut-Prepreg unter Ausschluß der Oberstringer angeordnet, danach werden das obere Außenhaut-Prepreg, die Oberstringer und das Oberrippengurt-Prepreg mit der Abdeckeinrichtung abgedeckt (Abdeckschritt), und dann wird die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 integral geformt durch Beaufschlagen mit Druck/Wärme, während gleichzeitig diejenigen Bereiche evakuiert werden, die mit der Abdeckeinrichtung abgedeckt sind (Aushärtungs-/Formschritt).
(3) Außenhaut-Oberteil- und -Unterteilkonstruktion-Befestigungsschritt
Dieser Schritt ist der Schritt des Befestigens der Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30. Zuerst werden die Rippen 40 gefertigt, die als Festigkeitselemente dienen, die die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 aneinander befestigen (Rippenherstellungsschritt). Die Rippen 40 werden aus dem Verbundmaterial oder aus Metall geformt.
Wenn die Rippen 40 aus dem Verbundmaterial hergestellt werden, können sie hergestellt werden durch Anwendung des RTM-Verfahrens, des RFI-Verfahrens oder dergleichen. Da in diesem Fall die Rippen 40 als Festigkeitselement eine hohe Steifigkeit haben müssen, werden die vollständig ausgehärteten Rippen verwendet.
Danach werden die Rippen 40 an den Rippenpfosten 22c (23c) des Vorderholms 22 (des Hinterholms 23) und den Unterrippengurten 25 in der Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 mittels der Befestigungseinrichtungen 50 befestigt (erster Rippenbefestigungsschritt: siehe die 3 und 4B).
Danach werden die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20, an der die Rippen 40 befestigt sind, und die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 an den Vorder-/Hinterholmbereichen mittels der Befestigungseinrichtungen befestigt (Obere- und Untere-Außenhaut-Befestigungsschritt).
Anschließend werden die Oberrippengurte 35 der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 an den Rippen 40, die mit der Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 verbunden sind, mittels der Befestigungseinrichtungen 50 befestigt (zweiter Rippenbefestigungsschritt).
Bei diesem zweiten Rippenbefestigungsschritt hat der Techniker Zutritt zu geschlossenen Räumen, die zwischen der Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 ausgebildet sind, durch Zugangslöcher 21a (siehe 1), die in der unteren Außenhaut 21 der Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 gebildet sind, und führt dann den Befestigungsvorgang mittels der Befestigungseinrichtungen aus. Ferner wird durch Nutzung der Zugangslöcher 21a das Dichtmittel zwischen dem Vorder-/Hinterholm und der oberen Außenhaut aufgetragen.
In diesem Fall ist, wie 1 zeigt, die Tragflügeldicke des Haupttragflügels des Luftfahrzeugs gemäß der vorliegenden Ausführungsform zur Seite der Flügelspitze hin verringert. Daher sind die Rippen 40 nahe dem Flügelspitzenbereich nicht angeordnet, und die Höhe der Unterrippengurte 25 der Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 wird bereits vorher hoch vorgegeben. Somit werden die Oberrippengurte 35 der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 39 mittels der Befestigungseinrichtungen 50 direkt an den hohen Unterrippengurten 25 befestigt (siehe 5).
Mit den oben angegebenen Schritten kann die Flügelkastenkonstruktion 10 des Haupttragflügels hergestellt werden. Dann werden an dieser Flügelkastenkonstruktion der Flügelvorderkantenbereich, der Flügelhinterkantenbereich, das Querruder, die Landeklappe usw. des Haupttragflügels, die separat hergestellt werden, angebracht, so daß der Haupttragflügel des Luftfahrzeugs gebildet wird.
Gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform sind folgende Schritte vorgesehen: der Schritt der Herstellung des Vorderholms 22, des Hinterholms 23, der Unterstringer 24, des unteren Außenhaut-Prepregs und des Unterrippengurt-Prepregs 25', die vorgehärtet sind, mittels des sogenannten Kompressionsverbindungsverfahrens (co-bonding) sowie der Schritt der Herstellung der Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 unter Verwendung der Oberstringer, des oberen Außenhaut-Prepregs und des Oberrippengurt-Prepregs, die vorgehärtet sind, mittels des sogenannten Kompressionsverbindungsverfahrens.
Daher kann der Zeit- und Arbeitsaufwand verringert werden, der zur separaten Herstellung/Bereitstellung der Teile, wie etwa der unteren Außenhaut 21, der oberen Außenhaut 31, des Vorderholms 22, des Hinterholms 23, der Unterstringer 24, der Oberstringer 34 usw. erforderlich ist, die jeweils verschiedene Aushärtungsvorgänge erfordern. Infolgedessen kann der Produktionszyklus erheblich verkürzt werden.
Gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform wird ferner der Schritt angegeben, bei dem die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 mit dem sogenannten Kompressionsverbindungsverfahren hergestellt werden, wobei der Befestigungsvorgang zwischen den Teilen mittels der Befestigungseinrichtungen oder durch Verkleben zwischen den Teilen nicht ausgeführt zu werden braucht.
Wegen der Flexibilität der Prepregs werden daher in den befestigten Bereichen zwischen den jeweiligen gefertigten Teilen, wie etwa dem befestigten Bereich zwischen dem Vorderholm 22 und der unteren Außenhaut 21, dem befestigten Bereich zwischen der unteren Außenhaut 21 und den Unterstringern 24 usw. niemals Zwischenräume gebildet.
Somit können die folgenden Arbeitsgänge entfallen: der Abdichtungsschritt zum Ausfüllen der Zwischenräume in den befestigten Bereichen zwischen den jeweiligen Teilen, der Schritt der Reparatur der Gestalt der jeweiligen Teile in der Umgebung der befestigten Bereiche, der Schritt des Verklebens jeweiliger Teile mit Klebstoff und der Schritt des Ausfüllens der Spielräume in den befestigten Bereichen zwischen den Teilen mit Klebstoff. Daher kann der für diese Vorgänge erforderliche Zeit- und Arbeitsaufwand verringert werden. Infolgedessen können die Fertigungskosten deutlich gesenkt werden.
Außerdem ist es bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform nicht notwendig, die speziellen Formwerkzeuge mit geteiltem Kern zu verwenden, wenn die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 gefertigt werden. Somit können die Kosten zur Herstellung der Formwerkzeuge mit speziellem Kern verringert werden. Außerdem kann der Formtrennvorgang der Formwerkzeuge mit speziellem Kern sowie der Teilungs-/Säuberungsvorgang der Formwerkzeuge mit speziellem Kern entfallen. Dadurch können die Fertigungskosten verringert werden.
Ferner werden bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform der Vorderholm 22 und der Hinterholm 23 mit den Rippenpfosten 22c, 23c, die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 mit den Unterrippengurten 25 sowie die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 mit den Oberrippengurten 35 verwendet.
Daher können die Außenhaut-Unterteilkonstruktion 20 und die Außenhaut-Oberteilkonstruktion 30 unter Verwendung dieser Rippenpfosten 22c, 23c, der Unterrippengurte 25 und der Oberrippengurte 35 als Befestigungsbereiche an den Rippen 40 befestigt werden. Infolgedessen können die Herstellungsschritte vereinfacht werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterial-Tragflügels, welches die folgenden Schritte aufweist: – einen Außenhaut-Unterteilkonstruktion-Herstellungsschritt zum Herstellen einer Außenhaut-Unterteilkonstruktion (20), die eine untere Verbundmaterial-Außenhaut (21), einen Verbundmaterial-Vorderholm (23), einen Verbundmaterial-Hinterholm (22), einen unteren Verbundmaterial-Stringer (24) und einen unteren Verbundmaterial-Rippengurt (25) zum Versteifen der unteren Außenhaut (21) umfaßt; – einen Außenhaut-Oberteilkonstruktion-Herstellungsschritt zum Herstellen einer Außenhaut-Oberteilkonstruktion (30), die eine obere Verbundmaterial-Außenhaut (31), einen oberen Verbundmaterial-Stringer (34) und einen oberen Verbundmaterial-Rippengurt (35) zum Versteifen der oberen Außenhaut (31) umfaßt; und – einen Außenhaut-Oberteil- und -Unterteilkonstruktion-Befestigungsschritt zum Befestigen der Außenhaut-Unterteilkonstruktion (20) und der Außenhaut-Oberteilkonstruktion (30); – wobei der Außenhaut-Unterteilkonstruktion-Herstellungsschritt folgendes aufweist: – einen Vorderholm-Formschritt zum Formen eines Vorderholms (23) mit mindestens einem vorderen Rippenpfosten (23c), der in einer vorgegebenen Position zu einer Rückseite des Tragflügels hin vorsteht, und zum anschließenden Vorhärten des wärmehärtbaren Harzes des Verbundmaterials, – einen Hinterholm-Formschritt zum Formen eines Hinterholms (22) mit mindestens einem hinteren Rippenpfosten (22c), der in einer der vorgegebenen Position gegenüberliegenden Position zu einer Vorderseite des Tragflügels hin vorsteht, und zum anschließenden Vorhärten des wärmehärtbaren Harzes des Verbundmaterials, – einen Unterstringer-Formschritt zum Formen des unteren Stringers (24) zum Versteifen der unteren Außenhaut (21) und zum anschließenden Vorhärten des wärmehärtbaren Harzes des Verbundmaterials, – einen Unterrippengurt-Prepreg-Laminierschritt zum Laminieren eines Unterrippengurt-Prepreg (25), das vertikal entlang einer Innenfläche der unteren Außenhaut (21) in einer Gurtrichtung in Tragflügelpositionen vorgesehen werden soll, in denen der Rippenpfosten angeordnet ist, – einen Untere-Außenhaut-Prepreg-Laminierschritt zum Laminieren eines Untere-Außenhaut-Prepreg auf einem unteren Formwerkzeug, das die Form der Unterseite des Tragflügels aufweist, – einen Anordnungsschritt zum Anordnen des Vorderholms (23), des Hinterholms (22), des unteren Stringers (24) und des Unterrippengurt-Prepreg (25') an dem Untere-Außenhaut-Prepreg jeweils mit Hilfe eines Klebstoffes, – einen Abdeckschritt zum Abdecken des Untere-Außenhaut-Prepreg, des Vorderholms (23), des Hinterholms (22), des unteren Stringers (24) und des Unterrippengurt-Prepreg (25') mit einer Abdeckeinrichtung (70), und – einen abschließenden Aushärte- und Formschritt zum Evakuieren, zum Beaufschlagen mit Druck und zum Erwärmen von Teilbereichen, die von der Abdeckeinrichtung (70) bedeckt sind, – wobei der Außenhaut-Oberteilkonstruktion-Herstellungsschritt folgendes aufweist: – einen Oberstringer-Formschritt zum Formen des oberen Stringers (34) zum Versteifen der oberen Außenhaut (31) und zum anschließenden Vorhärten des wärmehärtbaren Harzes des Verbundmaterials, – einen Oberrippengurt-Prepreg-Laminierschritt zum Laminieren eines Oberrippengurt-Prepreg, das vertikal entlang einer Innenfläche der oberen Außenhaut (31) in der Gurtrichtung in einer Tragflügelposition vorgesehen ist, in der der Rippenpfosten angeordnet ist, – einen Obere-Außenhaut-Prepreg-Laminierschritt zum Laminieren eines Obere-Außenhaut-Prepreg auf einem Oberhaut-Formwerkzeug, das die Form der Oberseite des Tragflügels aufweist, – einen Anordnungsschritt zum Anordnen des oberen Stringers (34) und des Oberrippengurt-Prepreg an dem Obere-Außenhaut-Prepreg mit Hilfe eines Klebstoffes, – einen Abdeckschritt zum Abdecken des Obere-Außenhaut-Prepreg, des oberen Stringers (34) und des Oberrippengurt-Prepreg mit einer Abdeckeinrichtung, und – einen abschließenden Aushärte- und Formschritt zum Evakuieren, zum Beaufschlagen mit Druck und zum Erwärmen von Teilbereichen, die von der Abdeckeinrichtung bedeckt sind, und – wobei der Außenhaut-Oberteil- und -Unterteilkonstruktion-Befestigungsschritt folgendes aufweist: – einen Rippenherstellungsschritt zum Herstellen von Rippen (40), die jeweils eine vorgegebene Form besitzen, mit einem Verbundmaterial oder einem Metall, – einen ersten Rippenbefestigungsschritt zum Befestigen der Rippen (40) an dem vorderen Rippenpfosten (23c) und an dem hinteren Rippenpfosten (22c) und an den unteren Rippengurten (25) der Außenhaut-Unterteilkonstruktion (20) mit einer mechanischen Befestigungseinrichtung (50), – einen oberen und einen unteren Befestigungsschritt zum Befestigen von Holmen (22, 23) der Außenhaut-Unterteilkonstruktion (20), mit der die Rippen (40) verbunden sind, an der Außenhaut der Außenhaut-Oberteilkonstruktion (30) mit einer mechanischen Befestigungseinrichtung (50); und – einen zweiten Rippenbefestigungsschritt zum Befestigen der Rippen (40) an den oberen Rippengurten (35) der Außenhaut-Oberteilkonstruktion (30) mit einer mechanischen Befestigungseinrichtung (50).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorderholm (23) und der Hinterholm (22), die im vorgehärteten Zustand geformt werden, mit Hilfe eines Resin-Transfer-Molding-Verfahrens (RTM-Verfahrens) oder eines Resin-Film-Infusion-Verfahrens (RFI-Verfahrens) hergestellt werden.
Verbundmaterial-Tragflügel, welcher folgendes aufweist: – einen Verbundmaterial-Vorderholm (23) und einen Verbundmaterial-Hinterholm (22), – eine untere Verbundmaterial-Außenhaut (21), die mit einem Klebstoff integral mit dem Vorderholm (23) und dem Hinterholm (22) verbunden ist, – eine obere Verbundmaterial-Außenhaut (31), die mit einer mechanischen Befestigungseinrichtung (50) an dem Vorderholm (23) und an dem Hinterholm (22) befestigt ist, – eine Vielzahl von Verbundmaterial-Stringern (24, 34), die mit einem Klebstoff integral mit Innenflächen der unteren Außenhaut (21) und der oberen Außenhaut (31) verbunden sind, so daß sie sich in einer Tragflügel-Spannweitenrichtung erstrecken; und – Rippen (40), die an Verbundmaterial-Elementen befestigt sind, welche jeweils mit einer mechanischen Befestigungseinrichtung (50) fest mit dem Vorderholm (23), dem Hinterholm (22), der unteren Außenhaut (21) und der oberen Außenhaut (31) verbunden sind.
Verbundmaterial-Tragflügel nach Anspruch 3, wobei die Elemente eine Vielzahl von Rippenpfosten (23c, 22c), die am Vorderholm (23) und am Hinterholm (22) vorgesehen sind, und eine Vielzahl von Rippengurten (25, 35) aufweist, die sich in der Gurtrichtung der oberen Außenhaut (31) und der unteren Außenhaut (21) erstrecken und in der Spannweitenrichtung des Tragflügels ausgerichtet sind.