DE60224946T2

DE60224946T2 - Verfahren zur verstärkung einer doppelschalenkonstruktion

Info

Publication number: DE60224946T2
Application number: DE60224946T
Authority: DE
Inventors: Anders Westerdahl; Max Krogager; Nils-Gunnar Jaktlund; Lars Löfgren
Original assignee: Saab AB
Current assignee: Saab AB
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: ES2300501T3; US20050109447A1; US7118640B2; EP1458569A1; SE0104196L; EP1458569B1; SE523364C2; DE60224946D1; WO2003053693A1; ATE385462T1; SE0104196D0; AU2002359107A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verstärkung einer doppelschaligen Struktur, in der ein Zellkern zwischen einer ersten und einer zweiten Schale angeordnet ist.
STAND DER TECHNIK
Eine doppelschalige Struktur mit Verbundschalen oder Metallblechschalen enthält oft ein Abstandsmaterial oder eine Zellkernart. Aus Herstellungsgründen wird ein Zellkern oft aus einer Vielzahl von Einheiten der Zellkernart gefertigt, die miteinander verleimt werden, um einen Zellkern auszubilden. Die Verbindungen können währen der Herstellung oder bei der Betriebsverwendung überbelastet werden, so dass diese Einheiten dem Risiko der Trennung voneinander bei einer oder einer Vielzahl von Segmenten entlang der Verbindung unterliegen. Dies verringert die Festigkeit des Zellkerns wesentlich.
Die US 5,190,611 offenbart ein Verfahren zur Reparatur von Verbundstrukturen. Das Verfahren wird dann verwendet, wenn eine unerwünschte Öffnung in einem Paneel aus einem Verbundmaterial vorliegt. Material wird aus den Paneel in dem Bereich entfernt, der die Öffnung umgibt, und die so vorbereiterte Öffnung kann sich vollständig durch das Paneel hindurch erstrecken. Ein Einsatz wird in der vorbereiteten Öffnung positioniert und mit der Oberfläche verbunden. Dieses Verfahren ist zur Reparatur von Grundstrukturen, die Schichten aus Verstärkungsfasern innerhalb einer Harzmatrix umfassen, geeignet. Das offenbarte Verfahren ist jedoch nicht anwendbar für die Verstärkung oder Reparatur sogenannter doppelschaliger Strukturen und die besondere Probleme, die aus Rissen zwischen den Einheiten im Zellkern herrühren.
Um einen Zellkern innerhalb eines Gegenstands mit einer doppelschaligen Struktur zu verstärken oder zu reparieren, müssen Löcher in einer der Schalen eingebracht werden. Die zum Zwecke einer derartigen Reparatur eingebrachten Löcher müssen im Anschluss repariert werden. Wenn die Löcher zu einer Schwächung der Schale führen, muss die Schale so verstärkt werden, dass sie ihren Belastungen widerstehen kann. Derartige Reparaturen sind üblicherweise extrem teuer und es ist auch schwierig, eine ausreichende Festigkeit sowohl im Zellkern als auch in der Schale, in die die Löcher eingebracht wurden, zu erreichen.
Derzeitig existieren keine effektiven Verfahren zur Reparatur von Leimverbindungen. Die Verfahren, die derzeit verwendet werden, basieren auf dem Herausschneiden der Zellkernmaterials an der Leimverbindung, wonach ein Reparaturabschnitt eingesetzt und mittels Leim fixiert wird. Da es schwierig ist, den reparierten Bereich mit der gleichen Festigkeit wie der unbeschädigte Zellkern auszuhärten, führen derartige Reparaturen zu einer strukturellen Verschlechterung.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verstärkung einer doppelschaligen Struktur mit einem dazwischen angeordneten Zellkern zur Verfügung zu stellen. Der Zellkern kann eine Honigwabenstruktur, eine Schaumstruktur oder jede andere Art von Zellstruktur aufweisen, die als Abstandsmaterial geeignet ist. Die Verstärkung wird mittels eines Verfahrens erreicht, indem ein Hohlraum in der doppelschaligen Struktur von einer Öffnung in der ersten Schale in den Zellkern hinein eingebracht wird, so dass der Hohlraum sich im Wesentlichen durch den Zellkern hindurch zur zweiten Schale erstreckt.
Ein Fixiermittel wird in den Hohlraum injiziert, wonach ein starrer Stab, dessen Form mit dem Hohlraum übereinstimmt, in denselben eingeführt wird, woraufhin überschüssiges Fixiermittel aus dem Hohlraum austreten kann und entfernt wird. Das im Hohlraum zurückgelassene Fixiermittel härtet aus.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Verstärkung eines Zellkerns, der eine erste und zweite Einheit eines Zellkerntyps umfasst, die benachbart zueinander angeordnet sind und mittels einer Leimverbindung miteinander verbunden sind, woraufhin der Hohlraum sich durch die erste Einheit und in die zweite Einheit hinein erstrecken kann.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Hohlraum unter einem Winkel verwirklicht, der innerhalb eines Bereichs von 30 bis 60° in Bezug auf die horizontale Ebene liegt. Der Hohlraum besteht vorzugsweise aus einem sich längs erstreckenden Bohrloch mit einem zylindrischen Querschnitt.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der starre Stab ein Stab mit nichtzylindrischem Querschnitt, woraufhin zumindest ein Durchlass für das Fixiermittel verwirklicht wird, nachdem der Stab in den Hohlraum hinein eingesetzt wurde.
Das beschriebene Verfahren kann dazu verwendet werden, Leimverbindungen zwischen einer ersten und einer zweiten Einheit in einem Zellkern zu verstärken. Das Verfahren kann ebenso dazu verwendet werden, gebrochene Verbindungen, beispielsweise in doppelschaligen Gegenständen, zu reparieren. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist ebenso geeignet zur Reparatur lokal beschädigter Abschnitte eines Zellkerns, oder zur Stärkung/Versteifung von Kernen in doppelschaligen Strukturen. Das Verfahren wird für Reparaturen sowohl im Betrieb als auch vor Ort, d. h. nahe demjenigen Bereich, in dem der beschädigte Gegenstand normalerweise verwendet wird, angewendet.
Ein Vorteil, den das Reparaturverfahren gemäß der Erfindung über die derzeit angewendeten Reparaturverfahren aufweist, ist der, dass die Ausbildung von Hohlräumen in den Schalen begrenzt werden kann. Die Schwächung der Schale ist somit minimal. Dies bedeutet, dass die Reparatur des Hohlraums in der Schale einfach ist und keine Verstärkung ausgeführt werden muss, sondern eher dazu angewendet wird, die Hohlräume zu versiegeln, um ein Hindurchtreten von Feuchtigkeit in den Kern hinein zu verbinden. Das Verfahren ist auch schnell dahingehend, dass die Reparaturen über einen einzelnen Härtungsschritt erreicht werden. Das Verfahren kann ebenso eine erhöhte Steifheit/Festigkeit verglichen mit dem ursprünglichen, unbeschädigten Material zur Verfügung stellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine Seitenansicht einer doppelschaligen Struktur, die unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung repariert wurde.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine Seitenansicht einer doppelschaligen Struktur 1, die unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung repariert wurde. Die doppelschalige Struktur beinhaltet eine erste Schale 5 und eine zweite Schale 6 an jeder Seite eines Zellkerns 2. Die ersten und zweiten Schalen 5, 6 sind vorzugsweise Verbundmaterialien oder metallische Bleche. Der Zellkern besteht aus jedem Material, das in einer Honigwabenstruktur, Schaumstruktur oder anderen Arten von Zellstruktur geeignet ist. Die Figur zeigt einen Stab 6, der aus einem Material gefertigt ist, das zu diesem Zweck geeignet ist, wie etwa Karbonfaser, welcher in einem Hohlraum fixiert wurde, der sich durch den Zellkern 2 hindurch erstreckt und der in der Figur eine erste Einheit des Zellkerntyps 3a und eine zweite Einheit des Zellkerntyps 3b umfasst. Der Stab wurde mittels eines Fixiermittels 8 an Ort und Stelle fixiert.
Die Öffnung im Hohlraum wird in einer der Oberflächen 5, 6 der doppelschaligen Struktur verwirklicht. In der in der Figur gezeigten Ausführungsform wird der Hohlraum durch eine erste Schalenoberfläche 5 in einer ersten Einheit eines Zellkerntyps 3a und fortsetzend in eine zweite Einheit des Zellkerntyps 3b hinein verwirklicht; beide Einheiten 3a, 3b können aus dem gleichen Material oder unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Materialien unterschiedlicher Dichten, gefertigt sein. Der Hohlraum erstreckt sich durch die Leimverbindung 4 hindurch. Da der Hohlraum auf der Innenseite der doppelschaligen Struktur verwirklicht ist, ist die Reparatur von der Außenseite der doppelschaligen Struktur nicht sichtbar. Der Hohlraum in der gezeigten Ausführungsform wurde nicht in durchgehender Weise verwirklicht. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Reparaturen der Schalenschicht nur an einer der Schalenoberflächen 5, 6 ausgeführt werden muss. Es ist selbstverständlich ebenso möglich, den Hohlraum in durchgehender Weise zu verwirklichen und, nachdem der Stab 7 an Ort und Stelle fixiert wurde, beide ersten und zweiten Schalen 5, 6 zu reparieren und abzudichten. Der Hohlraum kann aus einem Bohrloch durch die erste Schale 5 und den Zellkern 2 hindurch bestehen. Andere Arten von mechanischen Bearbeitungen zur Erzeugung des Hohlraums sind selbstverständlich ebenso möglicht, genauso wie spanabhebende Verfahren, mittels derer der Hohlraum in einer festgelegten Form ausgebildet werden kann. Wenn das Bohren verwendet wird, wird ein Hohlraum mit einem zylindrischen Querschnitt erhalten.
Einem Stab 7, wie beispielsweise aus Karbonfaser, wird eine Längsform gegeben, die die Tiefe des Bohrlochs übersteigen kann. Der Stab 7 kann ebenso in einer Länge gefertigt sein, die mit der des Bohrlochs übereinstimmt, so dass der Stab 7 nach der Fixierung nicht gekürzt werden muss. Es ist oft vorteilhaft, die Stäbe aus dem gleichen Material wie die umgebenden Schalenstrukturen zu fertigen, obwohl eine andere Materialwahl selbstverständlich ebenso möglich ist.
Dem Stab 7 wird vorzugsweise ein nichtzylindrischer Querschnitt, beispielsweise ein abgewinkelter Querschnitt mit solchen Dimensionen gegeben, dass der Stab in das zylindrische Bohrloch eingeführt werden kann. Da der Querschnitt des Stabs sich von dem des Bohrlochs unterscheidet, werden vier kanalähnliche Durchgänge zwischen dem Stab und dem Bohrloch vorliegen, wenn der Stab in das Bohrloch hinein eingeführt wurde. Andere Querschnitte sind selbstverständlich ebenso im Zusammenhang mit der Gestalt des Stabs möglich. Es ist jedoch wichtig, dass der Querschnitt so ausgewählt wird, dass ein Hindurchtreten vom Boden des Bohrlochs zu dessen Öffnung auch dann erreicht wird, wenn der Stab 7 in das Bohrloch hinein eingeführt wurde.
Pastenartiger Leim oder ein anderes Fixiermittel 8 werden in den Hohlraum injiziert und füllen diesen vollständig aus. Der Stab wird dann nach unten in den Hohlraum hineingedrückt. Die Winkelform des Stabs ermöglicht, dass überschüssiger Leim entlang des Stabs zur Oberfläche gedrückt wird. Die vier kanalähnlichen Durchgänge werden mit Leim befüllt und auf diese Weise wird der Leim um den Stab herum angeordnet. Dies ist im Hinblick auf die Festigkeit vorteilhaft. Überschüssiger Leim wird entfernt. Der gleiche Effekt kann durch Verwirklichung eines Durchlasskanals in dem Stab erreicht werden.
Wenn der Leim 8 ausgehärtet ist, wird der Stab abgeschnitten und mit der Schale bündig abgeschliffen. Der Stab kann ebenso in einer Länge vorgefertigt sein, die es dem gesamten Stab ermöglicht, zwischen den Schalenoberflächen zu verbleiben. Die erste Schale 5 wird danach abgedichtet und optional auf ein erforderliches Niveau verstärkt.
Das Verfahren wird nunmehr in Verbindung mit der Reparatur einer Ladeluke eines Flugzeugs beschrieben. Die Ladeluke wird radiographisch untersucht und die Längen und Positionen jeder Art von Rissen werden vermerkt. Geeignete Orte für die Hohlräume werden auf einer ersten Oberfläche markiert. Um zusätzliche Beschädigungen des Zellkerns zu vermeiden, wird ein kurzer Schleifdorn mit einer Diamantoberfläche dazu verwendet, durch die erste Schale hindurch zu treten. Hohlräume werden anschließend durch den Kern und das beschädigte poröse Material hindurch gebohrt. Eine Bohrschablone ist zu diesem Zweck geeignet. Die Hohlräume werden sauber gesaugt, wonach die Oberflächen um die Hohlräume herum mit einem Abblendband geschützt wurden.
Ein Karbonfaserstab mit Dimensionen, die mit denen des Hohlraums übereinstimmen, wird vorbereitet. Der Stab kann einen winkligen Querschnitt aufweisen, so dass ein Kanal oder eine Vielzahl von Kanälen zwischen dem Stab und der Innenoberfläche des Hohlraums dann ausgebildet werden, wenn der Stab in den Hohlraum eingeführt wurde. Der Stab wird mit Hysol EA9394 oder einem anderen geeigneten Fixiermittel beschichtet. Das gleiche Fixiermittel wird in den Hohlraum hinein injiziert. Es ist wichtig, dass das Fixiermittel vollständig bis zum Boden des Hohlraums aufgebracht wird. Nach der vollständigen Injizierung des Fixiermittels wird der Stab eingeführt. Das Einführen des Stabs muss abhängig von der Art des gewählten Fixiermittels bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgen. Wenn Hysol EA9394 verwendet wird, ist es wichtig, dass der Stab eingeführt wird, direkt nachdem die Injizierung abgeschlossen wurde. Die Injizierung eines Bindemittels erzeugt einen Druck im Zellkern, was dazu führen kann, das Hysol zurück aus dem Zellkern herauszudrücken. Der Karbonstab wird direkt nach dem Abschluss der Injizierung eingesetzt, um das Zurückdrücken des Hysols zu verhindern.
Nachdem der Stab an Ort und Stelle ist, wird der Struktur ermöglicht, bei Raumtemperatur über eine Zeitdauer auszuhärten, die von dem ausgewählten Fixiermittel abhängt. Das Verfahren kann für eine Vielzahl von Bohrlöchern wiederholt werden. Wenn die Aushärtung einmal abgeschlossen ist, kann das Abblendband entfernt werden und sämtliches überschüssiges Fixiermittel wird abgeschliffen. Die erste Schale wird dadurch abgedichtet, dass sie mit einer Art von Verbundkunststoff beschichtet wird, welcher unter Druck beim Raumtemperatur oder einer etwas höheren Temperatur aushärten kann. Die Oberfläche wird anschließend eingeebnet.
Das Verfahren kann ebenso zur Versteifung oder Verstärkung eines Zellkerns verwendet werden. Ein Beispiel ist die Notwendigkeit für einen neuen Befestigungspunkt an einer bereits existierenden Sandwich-Struktur. Der neue Befestigungspunkt kann einen steiferen oder stärkeren Kern als ursprünglich gewählt erforderlich machen. Bei Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens kann der Kern unterhalb des Befestigungspunkts mit minimalem Eingriff verstärkt werden.
Das Verfahren kann ebenso dazu verwendet werden, existierende Verbindungen in einem Zellkern 2 zu verstärken. Das Verfahren kann des Weiteren dazu verwendet werden, gebrochene Verbindungen, beispielsweise in Verbindung mit der Herstellung von Doppelschalen-Gegenständen oder bei der Reparatur lokal beschädigter Komponenten in einem Zellkern zu reparieren.

1: Doppelschalenstruktur
2: Zellkern
3a: Erste Einheit des Zellkerntyps
3b: Zweite Einheit des Zellkerntyps
4: Leimverbindung
5: Erste Schale
6: Zweite Schale
7: Stab
8: Fixiermittel

Claims

Verfahren zum Verstärken einer doppelschaligen Struktur, in der ein Zellkern (2) zwischen einer ersten Schale (5) und einer zweiten Schalte (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Hohlraum in der doppelschaligen Struktur von einer Öffnung in der ersten Schale in den Zellkern (2) hinein ausgebildet ist, so dass sich der Hohlraum durch den Zellkern (2) hindurch zu der zweiten Schale erstreckt, Fixiermittel (8) in den Hohlraum hineingespritzt wird, ein steifer Stab (7) so in den Hohlraum eingeführt wird, dass überschüssiges Fixiermittel (8) gezwungen wird, aus der Öffnung auszutreten, und entfernt wird, und das in dem Hohlraum verbleibende Fixiermittel ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zellkern (2) eine erste und eine zweite Einheit des Zellkerntyps (3a, 3b) umfasst, die nebeneinander angeordnet und durch eine Leimverbindung miteinander verbunden sind, so dass der Hohlraum so angeordnet ist, dass er sich durch die erste Einheit (3a) hindurch und in die zweite Einheit (3b) hinein erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Hohlraum in einem Winkel ausgeführt ist, der in den Bereich von 30–60° zu der horizontalen Ebene fällt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der steife Stab ein Stab (7) mit einem nicht-zylindrischen Querschnitt ist und wenigstens ein Durchlass für Fixiermittel (8) beim Einführen des Stabs in den Hohlraum ausgebildet wird.