DE60206282T2

DE60206282T2 - Verfahren zur herstellung von einer verbundstruktur aus einem schaumgefüllten wabenkern

Info

Publication number: DE60206282T2
Application number: DE60206282T
Authority: DE
Inventors: D. John WEBSTER
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-07-27
Also published as: CA2453407A1; CA2453407C; US20030020195A1; US6649096B2; DE60206282D1; EP1412162A1; EP1412162B1; WO2003011575A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung eines Verbundaufbaues und bezieht sich insbesondere auf ein Herstellungsverfahren von mit Schaum gefüllten Wabenkernteilen.
Beschreibung der relevanten Technik
Die Herstellung komplexer, konturierter Teile aus mit Schaum verstärkten Waben wird in typischer Weise durch Beladen der Stücke des Kerns mit dem Schaum erreicht, Aushärten des Schaums und Verbinden der Werkstücke miteinander und danach maschinelles Bearbeiten auf die Endgestalt. Dieses Verfahren ist normalerweise erforderlich, weil es schwierig ist, Wabenkern mit einer sehr großen Tiefe gleichmäßig zu beladen. Ferner sind extrem große Wabenstücke teuer herzustellen.
Dieses Verfahren hat verschiedene bemerkenswerte Nachteile. Der erste besteht darin, daß das Verbinden der Kernstücke miteinander Diskontinuitäten oder Unstetigkeiten erzeugt und deshalb die Gesamtfestigkeit des fertigen Teils schwächt. Zweitens wird, wenn das fertige Teil dünn ist und eine Gestalt mit großer Kontur hat, eine Menge Material vergeudet. Drittens können bei schlecht sichtbaren Aufbauten für Flugzeuge und dergleichen diese Diskontinuitäten das Radarbild des Fahrzeuges oder Aufbaues beeinträchtigen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines gefüllten Wabenkern-Verbundaufbaus ist auch in der US-A-4,584,041 offenbart.
Deshalb ist es primäre Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von mit Schaum gefüllten Wabenkerngebilden zu schaffen.
Es ist eine weitere primäre Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für mit Schaum gefüllten Wabenkerngebilden vorzusehen, die eine komplexe Kontur haben.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Herstellungsverfahrens von mit Schaum gefüllten Wabenkerngebilden, die eine komplexe Kontur haben, mit einem Minimum an vergeudetem Material.
Es ist weitere Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren von mit Schaum gefüllten Wabenkerngebilden vorzusehen, die eine komplexe Kontur haben, nicht aber innere Diskontinuitäten oder Unstetigkeiten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist ein Herstellungsverfahren eines mit Schaum gefüllten Watienkerngebildes, welches mindestens teilweise eine gekrümmte Gestalt hat. Im einzelnen weist das Verfahren das Vorsehen eines Wabenkernbarrens bzw. -stangenabschnittes auf. Der Barren wird dann durch Füllen mit Schaum verstärkt. Danach wird der mit Schaum gefüllte Barren auf einer Form mit einer gekrümmten Formoberfläche angeordnet. Der mit Schaum gefüllte Barren wird dann zu der allgemeinen Gestalt des Gebildes dadurch kriechgeformt, daß man eine Last auf ihn aufbringt. Die für das Kriechformen verwendeten Gewichte werden in typischerweise an derjenigen Stelle an dem mit Schaum gefüllten Barren aufgebracht, wo die maximale Deformation auftreten soll. Zusätzlich wird die Form derart positioniert, daß die Stelle, wo die Last auf den mit Schaum gefüllten Barren aufgebracht wird, und die Stelle auf der Form am Krümmungsmittelpunkt vertikal ausgerichtet sind. Schließlich wird das jetzt gekrümmte, mit Schaum gefüllte Teil maschinell auf die Endgestalt des Gebildes bearbeitet.
Wenn der Schaum von dem Typ ist, der leicht durch Erwärmen auf eine moderat hohe Temperatur erweicht werden kann, wie z.B. ein querverbundenes Polystyrol, wird er vor oder während des Kriechformens auf eine Temperatur über seiner Glasübergangstemperatur erwärmt. Dies kann erforderlich machen, daß der mit Schaum gefüllte Barren unter Vakuum eingesackt bzw. in einen Beutel gebracht wird, um eine Verschlechterung bzw. Degradation dadurch, daß er dem Luftsauerstoff ausgesetzt wird, zu verhindern.
Die neuen Merkmale, die man für die Erfindung für charakteristisch glaubt, und zwar sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus als auch des Betriebsverfahrens verstehen sich zusammen mit weiteren Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen derselben aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen, bei welchen die derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielshalber dargestellt wird. Es versteht sich jedoch ausdrücklich, daß die Zeichnungen nur den Zweck der Illustration und Beschreibung haben und nicht als eine Definition der Erfindungsgrenzen gedacht sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht eines Wabenkernbarrens, der über einem mit Schaum gefüllten Behälter angeordnet ist.
2 ist eine Seitenansicht eines Wabenkerns, der mit einem Verfestigungsschaum gefüllt und in einem Vakuumsack eingeschlossen ist.
3 ist eine Seitenansicht des Barrens, der vor dem Kriechformen in der Modellform eingesetzt ist.
4 ist eine perspektivische Ansicht des Barrens in der Modellform nach dem Formen auf die Gestalt.
5 ist eine Ansicht des vervollständigten Teils nach der maschinellen Bearbeitung.
6 ist eine Seitenansicht eines Wabenkerns mit Übergröße, der mit einem Verfestigungsschaum mit einem entfernt gezeigten Überschußmaterial gefüllt ist.
7 ist eine Ansicht des in 6 gezeigten Wabenkerns mit Übergröße, wobei das "entfernte" Überschußmaterial wieder angebracht ist.
8 ist eine Ansicht des in 7 gezeigten Wabenkerns mit Übergröße nach dem Kriechformen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezieht man sich auf die 1 und 2, dann ist ein einzelnes Stück eines Wabenkernbarrens, der allgemein mit 10 bezeichnet ist, über einem Behälter 12 positioniert gezeigt, der mit einer ungehärteten Schaumflüssigkeit 14 gefüllt ist. Ein Aufriß des vollendeten Teils ist in gestrichelten Linien gezeigt und mit 11 bezeichnet. Die Höhe 18 des fertigen Teils 11 ist größer als die Höhe 20 des Barrens 10; das in Rede stehende Herstellungsverfahren erlaubt jedoch die Herstellung eines solchen Teils aus dem Barren 10. Der Wabenkern kann aus einer großen Vielzahl von Materialien hergestellt sein, muß aber in der Lage sein, kriechgeformt zu werden. Zum Beispiel NOMEX (hergestellt von E. I. duPont de Nemous and Company, Wilmington Delaware) oder VECTRAN (hergestellt von Hoechst Celanese, Charlotte, North Carolina) und SPECTRA (hergestellt von Allied Signal, Petersburg). Alle diese Materialien stehen bei einer großen Vielzahl von Lieferanten leicht zur Verfügung.
Der Kern 10 wird dadurch mit Schaum gefüllt, daß man den Kern 10 in den Behälter 12 absenkt, so daß die Flüssigkeit 14 durch die Zellen des Kerns nach oben fließen kann, wodurch sichergestellt wird, daß der Kern vollständig gefüllt wird. Danach erlaubt man der Flüssigkeit auszuhärten. Der bevorzugte Schaum ist ein querverbundenes Polystyrol oder verschiedene Polyurethanschäume. Die nachfolgende Bearbeitung beinhaltet das Erwärmen auf eine Temperatur von 1800°F, um Feuchtigkeit auszutreiben; andere Schaumfüllermaterialien brauchen jedoch nicht einen solchen Schritt. Das Füllen eines Wabenkerns mit Schaum ist jedenfalls im Stand der Technik bekannt und braucht deshalb hier nicht in größerer Einzelheit diskutiert zu werden. Unter Bezugnahme auf 2 wird der mit Schaum gefüllte Kern, der jetzt mit 10B bezeichnet wird, dann in einem Vakuumsack 22 versiegelt, um den Schaum bei nachfolgenden Verarbeitungsschritten zu schützen. Bei einigen Schaummaterialien ist die Verwendung eines Vakuumsackes 22 jedoch nicht notwendig.
Unter Bezugnahme auf 3 wird der mit Schaum gefüllte Kern 10B dann in einer Formvorrichtung 24 angeordnet. Die Vorrichtung 24 weist einen Grundkörper 26 auf, der eine Form 28 haltert mit einer Oberfläche 30, welche der Kontur des fertigen Teils 11 entspricht, wobei die Stelle maximaler Krümmung mit 29 bezeichnet ist. Die Enden 32 und 34 der Form 28 sind durch vertikale Säulen 36 und 38 gehalten. Die Enden 32 und 34 der Form 28 weisen me chanische Anschläge 39 bzw. 40 auf, um die Bewegung des Kerns 10B von der Formoberfläche 30 fort zu verhindern.
Der mit Schaum gefüllte Kern 10A wird auf der Formoberfläche 28 angeordnet, und Gewichte 41 werden an der Stelle 42 aufgebracht, wo die maximale Krümmung erreicht werden soll, und er wird durch Anschläge 44, die mit dem Kern verbunden sind, daran gehindert, sich zu bewegen. Die Form 26 wird derart positioniert, daß die Gewichte 41 über der Stelle mit maximaler Krümmung, welche durch die Linie 46 bezeichnet ist, vertikal sind. Der mit Schaum gefüllte Kern 10A wird dann auf eine Temperatur über der Glasübergangstemperatur erwärmt. Hier handelt es sich um diejenige Temperatur, bei welcher der Schaum genug erweicht ist, so daß er sich unter Last deformiert. Bei einem Test unter Verwendung eines Los Alamos National Laboratory zur Verfügung gestellten querverbundenen Polystyrolschaumes wurde der Kern auf etwa 275°F etwa 8 bis 12 Stunden lang erwärmt. Danach war der mit Schaum gefüllte Kern vollständig auf die Kontur der Formoberfläche 28 deformiert, wie in 4 veranschaulicht und mit der Bezugszahl 10B bezeichnet ist. Danach wurde der mit Schaum gefüllte Kern 10B aus der Vorrichtung entfernt und danach auf die Endgestalt des in 5 gezeigten Teils 11 maschinell bearbeitet. Es ist auch möglich, Wabenblöcke mit Übergröße zu verwenden. Unter Bezugnahme auf die 6, 7 und 8 wird ein Block eines mit Schaum gefüllten Wabenkerns 50 mit Übergröße zuerst angepaßt bzw. nachgeschnitten, um überschüssiges Material in der Form eines trapezförmigen Abschnittes 52 aus dem Bereich zu entfernen, damit er einer maximalen Biegung unterworfen wird. Der trapezförmige Abschnitt 52 wird dann mit einem dünnen Aluminiumblech 54 wieder angebracht, welches so gebogen ist, daß es der Gestalt des "Schnittes" zwischen dem Abschnitt und dem Kern 50 entspricht, und zwar mittels eines Bandes 56. Danach wird der "angepaßte" Block, der jetzt mit der Bezugszahl 50A bezeichnet ist, verarbeitet, wie zuvor beschrieben ist. Nach dem Kriechformen wird der trapezförmige Abschnitt 52 entfernt, und der mit Schaum gefüllte Kern, der jetzt mit der Bezugszahl 50A bezeichnet ist, kann maschinell bearbeitet werden. Außerdem kann ein gewisses Material auch von der gegenüberliegenden Seite entfernt werden, wie durch die Bezugszahl 58 gezeigt ist. Dieses Material 58 braucht nicht vorübergehend wieder angebracht zu werden. Man kann deshalb sehen, daß übergroße Blöcke aus Schaum benutzt werden können, die sonst nicht auf die erforderliche Kontur kriechgeformt werden könnten.
Deshalb kann man sehen, daß ein mit Schaum gefülltes, stark konturiertes Wabenteil durch das in Rede stehende Verfahren aus einem einzigen Wabenkernstück hergestellt werden kann, wobei Verbindungsstellen und die sich ergebenden Diskontinuitäten ausgeschaltet sind. Es sei bemerkt, daß für jede Art von Teil ein gewisses Experimentieren erforderlich ist, je nach seiner Größe, der Endform des Teiles und der Art des Kernmaterials und des verwendeten Schaums. Deshalb verändern sich die verwendeten Gewichte, die Verarbeitungszeit und der Temperaturzyklus von Teil zu Teil.
Die Erfindung wurde zwar unter Bezugnahme auf eine besondere Ausführungsform beschrieben, es versteht sich aber, daß die Ausführungsform nur darstellend ist, denn es gibt zahlreiche Variationen und Modifikationen, welche der Fachmann vornehmen kann. Die Erfindung ist also nur durch den Rahmen der anliegenden Ansprüche begrenzt auszulegen.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die Erfindung ist anwendbar bei Gewerbebetrieben, bei denen mit Schaum gefüllte Wabengebilde komplexer Gestalt erforderlich sind, wie z.B. in der Flugzeugindustrie.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mit Schaum gefüllten Wabenkerngebildes (11) mit folgenden Schritten: Vorsehen eines Wabenkernbarrens (10); Verstärken des Wabenkerns mit Schaum (14); Anordnen des mit Schaum gefüllten Barrens (10B) auf einer Form (28) mit einer gekrümmten Formoberfläche (30); Kriechformen des mit Schaum gefüllten Barrens (10B) an die allgemeine Gestalt des Gebildes durch Aufbringen einer Last (41) auf den mit Schaum gefüllten Barren (10B); und Bearbeiten des kriechgeformten, mit Schaum gefüllten Barrens zu der tatsächlichen Gestalt des Gebildes (11).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Kriechformens die Temperatur des mit Schaum gefüllten Barrens (10B) auf eine Temperatur angehoben wird, bei welcher der Schaum formbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Kriechformens des mit Schaum gefüllten Barrens (10B) zu der allgemeinen Gestalt des Gebildes durch Aufbringen einer Last (41) auf den mit Schaum gefüllten Barren (10B) die Last (41) auf den mit Schaum gefüllten Barren (10B) an einer Stelle aufgebracht wird, wo eine maximale Deformation des mit Schaum gefüllten Barrens (10B) auftreten soll.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei vor dem Kriechformen des mit Schaum gefüllten Barrens (10B) zu der allgemeinen Gestalt des Gebildes durch Aufbringen einer Last (41) auf den mit Schaum gefüllten Barren (10B) die Form (28) derart positioniert wird, daß die Aufbringstelle einer Last (41) auf den mit Schaum gefüllten Barren (10B) und die Stelle auf der Form (28) der maximalen Krümmung vertikal ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei vor dem Kriechformen des mit Schaum gefüllten Barrens (10B) zu der allgemeinen Gestalt des Gebildes (11) der mit Schaum gefüllte Barren (10B) unter Vakuum eingesackt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5, wobei der mit Schaum gefüllte Barren (10B) eine obere Fläche und eine Bodenfläche hat und vor dem Anordnen des mit Schaum gefüllten Barrens (10B) auf einer Form (28) mit einer gekrümmten Formoberfläche (30) folgende Schritte vorgenommen werden: Entfernen eines trapezförmigen Abschnittes (52) aus der Bodenfläche des mit Schaum gefüllten Barrens unter Bilden eines Teiles mit verringertem Querschnitt in diesem; Anordnen eines Metallbleches (54) in das Teil mit dem reduzierten Querschnitt; erneutes Installieren des trapezförmigen Abschnittes (52) in das Teil mit dem reduzierten Querschnitt; und lösbares Befestigen (56) des trapezförmigen Abschnittes (52); und Anordnen der Bodenfläche des mit Schaum gefüllten Barrens (10B), welche der Formoberfläche (30) zugewandt ist, während der mit Schaum gefüllte Barren (10B) auf einer Form (28), welche eine gekrümmte Formoberfläche (30) hat, angeordnet wird.