DE69636148T2

DE69636148T2 - Sandwichstrukturen mit mehreren Blechen und einem integrierten Hardpoint

Info

Publication number: DE69636148T2
Application number: DE69636148T
Authority: DE
Inventors: W. Frederick Buckley BULDHAUPT; R. John Seattle FISCHER; G. Matthew Enumclaw KISTNER; D. Jeffrey Renton WILL
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2016-12-21
Also published as: EP0912266B1; WO1997027970A1; EP0923452A2; ES2205075T3; US6508394B1; DE69636148D1; DE69629398D1; US6419146B1; EP0912266A4; EP0923452B1; US6656603B2; EP0923452A4; ES2259444T3; EP0912266A1; US20030049482A1; WO1997027045A2; DE69629398T2

Description

Diese Erfindung wurde teilweise in der provisorischen Patentanmeldung Nr. 60/010,033 mit dem Titel „Sandwichstrukturen mit mehreren Blechen", eingereicht am 12. Januar 1996 durch Fred Buldhaupt, Dave Gane, Matt Kistner und Jeff Will, offenbart.
Diese Erfindung betrifft Hardpoints (Festpunkte) in superplastisch ausgebildeten Sandwichstrukturen mit mehreren Blechen und insbesondere integrierte Hardpoints, welche mit den oberen und unteren Außenflächenblechen einer superplastisch ausgebildeten diffusionsverbundenen Metallsandwichstruktur verbunden sind und diese verbinden, mit welchen die Sandwichstruktur an benachbarten Strukturen, Drehpunkten, Betätigungseinrichtungen und Ähnlichem angebracht werden kann.
Hintergrund der Erfindung
Aufgeweitete Metallsandwichstrukturen mit mehreren Blechen, welche durch superplastische Umformung („Superplastic Forming", SPF) und durch Diffusionsverbinden hergestellt werden, sind seit vielen Jahren aufgrund ihrer niedrigen Kosten, guten Festigkeit und Steifigkeit pro Einheitsgewicht und hohen Temperaturbeständigkeit in Gebrauch, insbesondere in der Luftfahrtindustrie. Verschiedene Verfahren zur Herstellung dieser Strukturen sind in der Vergangenheit entwickelt worden, mit verschiedenen Ausmaßen an Erfolg, und in letzter Zeit sind diese Verfahren verbessert worden, um eine Herstellung dieser Metallsandwichstrukturen mit einer außergewöhnlichen Güte, Zuverlässigkeit und Effizienz zu ermöglichen. Die neuen Verfahren sind in der provisorischen Patentanmeldung Nr. 60/010,033 mit dem Titel „Sandwichstrukturen mit mehreren Blechen", eingereicht am 12. Januar 1996 durch Fred Bulthaupt, Dave Gane, Matt Kistner und Jeff Will beschrieben.
Ein ständiges Problem, welchem man bei der Verwendung dieser Metallsandwichstrukturen begegnet ist, ist es, sie mit einer angemessenen Lasttransferfähigkeit mit einer benachbarten Struktur in der Anordnung zu verbinden, von welcher sie ein Teil sind. Die oberen und unteren Außenflächenbleche der Sandwichstruktur sind typischerweise dünne Titanbleche, welche die Ausübung von konzentrierten Kräften in einem einzelnen Punkt nicht aushalten können, wie dies geschehen würde, falls der Teil durch Blechschrauben oder Bolzen oder Ähnliches befestigt würde. Weiterhin würde das Loch, welches ein derartiger Befestiger in dem Blech machen würde, das Blech weiter schwächen und die Einleitung von Rissen in einer schwingenden Umgebung oder in einer anderen Ermüdungsumgebung erleichtern.
Die Verwendung von Bolzen oder von anderen Befestigern dieser Art erfordert häufig, dass die Befestiger in einen Spannungszustand angezogen werden, um eine sichere Verbindung mit voller Festigkeit zu erreichen. Die Verwendung solcher Befestiger bei herkömmlichen Metallsandwichstrukturen ist schwierig, da die notwendige Zugvorspannung eine Quetschkraft auf die Sandwichstruktur ausübt, welche dazu neigt, sie zusammenbrechen zu lassen, den Teil zu beschädigen und die notwendige Befestigervorspannung zu verlieren.
Wichtige Anwendungen von Metallsandwichstrukturen sind bei aerodynamischen Strukturen in Flugzeugen, Raketen und Ähnlichem. Zu Zwecken einer aerodynamischen Effizienz und/oder eines verringerten Radarquerschnitts ist es oft erforderlich, dass Befestigerköpfe für solche Strukturen in eine Ansenkung oder eine Versenkung vertieft sind, um bündig mit der Oberfläche des Teils zu liegen. Jedoch ist ein solches Vertiefen von Befestigerköpfen bei herkömmlichen Befestigungsverfahren für Metallsandwichstrukturen schwierig oder unmöglich.
Der Abschluss („Closeout") einer Metallsandwichstruktur ist der Randkantenabschnitt, welcher die oberen und unteren Außenflächenbleche überspannt. Er stellt eine Randdichtung für die Struktur zur Verfügung und wäre häufig die ideale Stelle zur Befestigung an einer benachbarten Struktur. Jedoch können bestehende Abschlusstechniken keine Struktur mit der gewünschten Form und Festigkeit bereitstellen, um als eine bündige Randbefestigungsstruktur zu dienen, und können keine Randform mit einer Konfiguration zur Verfügung stellen, welche mit der Konfiguration der benachbarten Struktur zusammenpasst.
Die US-4,217,391-A lehrt Verstärkungskantenbeschläge, welche den Rand einer superplastisch ausgebildeten diffusionsverbundenen Sandwichstruktur für einen problemlosen Übergang von Befestigungskräften zwischen der Struktur und einer Stützstruktur versteifen. Jedoch lehrt die US-4,217,397-A nicht die Verwendung von Hardpoints, in welche Löcher gebohrt werden, zur Aufnahme von Befestigern, mit welchen die Platte an der benachbarten Struktur befestigt wird. Es gibt keine Lehre einer Verwendung des Verstärkungskantenbeschlags, um Befestigerlöcher zu bohren, mit welchen die Platte an einer benachbarten Struktur angebracht werden kann, und diese bekannte Struktur unterliegt den gleichen Problemen, welche die vorliegende Erfindung löst.
Die US-4,351,470-A lehrt eine superplastisch ausgebildete diffusionsverbundene Platte aus zwei Blechen, welche Verstärkungsstreifen oder Verstärkungsbalken aufweist. Die US-4,351,470-A lehrt nicht die Verwendung der Verstärkungsstrei fen oder -balken als Hardpoints, in welche Befestigerlöcher gebohrt werden, um die versteifte Platte an irgendeiner anderen Struktur anzubringen. Die Streifen und Balken erstrecken sich über die gesamte Länge der Rippen, um die Platte zu verstärken, um sie überall stärker zu machen, anstatt einen Hardpoint an dem Anbringungspunkt der Platte an der benachbarten Struktur zu erzeugen.
Somit hat es in der Industrie seit langem einen nicht befriedigten Bedarf an einer Metallsandwichstruktur gegeben, welche integrierte Hardpoints aufweist, welche ermöglichen, dass die Metallsandwichstruktur sicher an einer benachbarten Struktur auf eine Weise befestigt wird, welche die Verbindungskräfte gleichmäßig auf die Metallsandwichstruktur ohne eine Beschädigung verteilt, und welche die Möglichkeit zur Verfügung stellt, die Befestigerköpfe bündig mit der Außenoberfläche des Teils zu versenken.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Anbringung einer superplastisch ausgebildeten diffusionsverbundenen Sandwichstruktur an einer benachbarten Struktur bereitzustellen. Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Metallsandwichstruktur zur Verfügung zu stellen, welche einen integrierten Hardpoint an jeder gewünschten Stelle in der Struktur aufweist, durch welchen die Sandwichstruktur mit benachbarten Strukturen in der Anordnung auf eine Weise verbunden werden kann, welche Kräfte gleichmäßig verteilt, die von der benachbarten Struktur auf die Sandwichstruktur ausgeübt werden. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Sandwichstruktur bereitzustellen, welche einen integrierten Hardpoint aufweist, durch welchen die Sandwichstruktur mit einer benachbarten Struktur in der Anordnung verbunden werden kann, wodurch eine hohe Lasttransferfähigkeit und Ermüdungstoleranz zur Verfügung gestellt wird.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer superplastisch ausgebildeten diffusionsverbundenen Sandwichstruktur mit einem integrierten Metallhardpoint zur Anbringung der Sandwichstruktur an einer anderen Struktur, umfassend:
Verbinden von wenigstens drei superplastischen Metallblechen miteinander in einen Packen durch Schweißen oder Diffusionsverbinden entlang eines Musters von Linien, welche Verbindungslinien zwischen den Blechen ausbilden, wenn der Packen durch Gasdruck bei superplastischen Temperaturen aufgeblasen wird;
Anordnen wenigstens eines Metallblockeinsatzes zwischen wenigstens zwei der Bleche, wobei der Metalleinsatz den Hardpoint ausbildet, wenn die Bleche und der Einsatz miteinander auf den Einsatz diffusionsverbunden werden;
Abdichten aller Bleche in dem Packen miteinander um eine Außenrandkante, um eine gasdichte Ummantelung zu erzeugen;
Erhitzen des Packens auf superplastische Temperaturen und Diffusionsverbinden von wenigstens zwei der Bleche mit oberen und unteren Oberflächen des Metalleinsatzes;
Aufblasen des Packens bei superplastischen Temperaturen gegen Innenoberflächen einer Pressform durch Einspeisen von Gas unter Druck durch eine Gasleitung in der Randkante, um eine aufgeweitete Metallsandwichstruktur auszubilden, welche obere und untere Außenflächenbleche in Berührung mit den Innenoberflächen der Pressform aufweist, und welche integrierte Rippen und einen integrierten Hardpoint aufweist, welcher durch den Metallblockeinsatz ausgebildet wird, der den Raum zwischen den Außenflächenblechen überspannt und mit diesen diffusionsverbunden ist, wodurch die oberen und unteren Außenflächenbleche gekoppelt werden und wodurch ein Lastweg zwischen den Außenflächenblechen durch den Metallblockeinsatz für Kräfte zur Verfügung gestellt wird, welche von Befestigern ausgeübt werden, die die Sandwichstruktur mit der anderen Struktur verbinden;
Entlüften des Gasdrucks, Abkühlen der aufgeweiteten Metallsandwichstruktur und Entfernen der aufgeweiteten Metallsandwichstruktur aus der Pressform; und
Bohren von Löchern in der Sandwichstruktur in Ausrichtung zu dem Metalleinsatz durch wenigstens eines der Bleche und in den Metalleinsatz zur Aufnahme der Befestiger, mit welchen die Sandwichstruktur an der anderen Struktur angebracht werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine aufgeweitete Metallsandwichstruktur nach Anspruch 12 zur Verfügung, welche integrierte innere Versteifungsrippen und wenigstens einen integrierten Metallhardpoint aufweist.
Beschreibung der Figuren
Man wird die Erfindung und ihre vielen begleitenden Aufgaben und Vorteile beim Lesen der folgenden Beschreibung der bevor zugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den folgenden Figuren besser verstehen, wobei:
1 eine teilweise explodierte Perspektivansicht eines Teils ist, welcher aus einer Metallsandwichstruktur nach dieser Erfindung hergestellt ist;
2 eine perspektivische Explosionsansicht der Außenflächenbleche, des Kerns und von Hardpoints, welche den Packen bilden, vor einem Diffusionsverbinden und einem superplastischen Umformen in die Metallsandwichstruktur, welche in 1 gezeigt ist, ist;
3 eine perspektivische Schnittansicht eines Abschnitts des in 1 gezeigten Teils ist;
4 eine Perspektivansicht des in 2 gezeigten Kernpackens ist;
5 eine Perspektivansicht eines Abschnitts des in 4 gezeigten Kerns in einer teilweise aufgeweiteten Form ist;
6A und 6B zwei Perspektivansichten einer Laservorrichtung sind, welche für ein Laserschweißen der Bleche des in 4 gezeigten Kernpackens verwendet wird;
7 bzw. 8 ein Aufriss bzw. eine Draufsicht einer Wagenvorrichtung, welche in 6A und 6B gezeigt ist, zum Drücken der Kernpackenbleche in eine enge Berührung um den Schweißpunkt während des Laserschweißens sind;
9A-9G schematische Perspektivansichten eines Verfahrens zum Laserschweißen sind, welches bei dieser Erfindung verwendet wird;
10 ein Schnittaufriss eines Randabschnitts eines Packens ist, welcher superplastisch geformt und diffusionsverbunden wird, um den in 1 dargestellte Teil herzustellen;
11A-11E schematische Aufrisse des Packens sind, welcher verwendet wird, um den in 1 dargestellten Teil herzustellen, welche mehrere Stufen bei dem Umformungsverfahren zeigen;
12A-12C Schnittaufrisse des in 4 gezeigten Kernpackens in dem Bereich einer der Laserschweißnähte sind, welche mehrere Stufen bei der Ausbildung der Rippen zeigen;
13 bzw. 14 Schnittaufrisse von Rippen sind, welche um Widerstandsschweißnähte bzw. Laserschweißnähte an einem Kernpacken ausgebildet sind;
15 eine Perspektivansicht einer Randrahmenvariante eines Metallsandwichteils ist, welche teilweise unvollständig ist, um den Innenraum in der Platte zu zeigen, welcher die Rippen zeigt;
16 eine Perspektivansicht einer abgestuften Blockvariante einer Metallsandwichstruktur nach dieser Erfindung ist;
11-19 Schnittaufrisse sind, welche drei Stufen eines Vordünnungsverfahrens zeigen, welches verwendet wird, um den Kern ohne ein übermäßiges Verdünnen an den Ecken der Rippen auszubilden;
20 und 21 Schnittaufrisse sind, welche zwei Stufen einer Ausbildung einer Fachwerkkernmetallsandwichstruktur mit einem Hardpoint nach dieser Erfindung zeigen; und
22 und 23 Schnittaufrisse sind, welche zwei Stufen von Abwandlungen des Fachwerkkernausbildungsverfahrens, das in 20 und 21 gezeigt ist, zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Wendet man sich nun den Figuren zu, in welchen ähnliche Bezugsziffern identische oder entsprechende Teile bezeichnen, und insbesondere 1 derselben, ist ein superplastisch ausgebildeter diffusionsverbundener Metallsandwichteil 30 mit mehreren Blechen gezeigt, beispielsweise eine Zugangsöffnungsabdeckung oder eine Tür, welche gemäß dieser Erfindung hergestellt ist, und welche ein oberes Außenflächenblech oder eine obere Haut 32, ein unteres Außenflächenblech oder eine untere Haut 34, welche von dem oberen Außenflächenblech 32 beabstandet ist und zwischen ihnen einen offenen Innenraum definiert, aufweist. Eine Mehrzahl von Rippen 36 erstreckt sich zwischen den oberen und unteren Häuten 32 und 34 und ist integriert mit diesen verbunden, wobei sie den offenen Innenraum zwischen ihnen überspannt. Die Rippen 36 sind bevorzugt wie dargestellt angeordnet, um eine Mehrzahl von rechteckigen Zellen 38 auszubilden, obwohl Zellen mit anderen Formen hergestellt werden können, beispielsweise hexagonale Zellen, welche mit in einem hexagonalen Muster hergestellten Rippen hergestellt werden, Eierkartonstrukturen mit drei Blechen, welche mit versetzten kreisförmigen Schweißnähten zwischen zwei Außenflächenblechen und einem Mittelblech hergestellt werden, und andere bekannte Zellenausgestaltungen in aufgeweiteten Metallstrukturen mit mehreren Blechen.
Ein innerer Hardpoint 40 ist integriert mit den oberen und unteren Außenflächenblechen 32 und 34 verbunden und koppelt die zwei Außenflächenbleche für einen Lasttransfer zwischen ihnen und ist auch bevorzugt (aber nicht notwendigerweise) integriert mit vier benachbarten Rippen in der Vierblech-Rechteckszellenstruktur verbunden, welche in 1 gezeigt ist. Wie er hier verwendet wird, bedeutet der Begriff „Hardpoint" („Festpunkt") eine lastübertragende Struktur, welche mit oberen und unteren Außenflächenblechen in der Sandwichstruktur verbunden ist, und durch welche die Sandwichstruktur mit anderen Unteranordnungen in der Anordnung, von welcher sie ein Teil ist, gekoppelt werden kann. Der Hardpoint erleichtert die Verteilung von Kräften zwischen der Sandwichstruktur und den anderen Unteranordnungen, so dass die Sandwichstruktur mit der Anordnung verbunden und relativ zu dieser bewegt werden kann, ohne die Sandwichstruktur an dem Verbindungspunkt lokal überzubelasten. Ein Verbinden des Hardpoints 40 mit den oberen und unteren Außenflächenblechen 32 und 34 und mit den Rippen 36 verbessert die Verteilung der Last zwischen den Außenflächenblechen 32 und 34 und über die ganze Struktur, und verstärkt auch die Verbindung zwischen den Außenflächenblechen und den Rippen 36 an der Stelle der größten Belastung. Er kann für eine einfache, geeignete und feste Verbindung mit benachbarten Strukturen und Komponenten einfach gebohrt oder maschinell bearbeitet und gewindegeschnitten oder gewindet werden.
Mehrere Rand-Hardpoints 41 sind integriert mit den oberen und unteren Außenflächenblechen 32 und 34 und mit benachbarten Rippen 36 verbunden. Die Rand-Hardpoints 41 können einzelne separate Blöcke sein, oder sie können eine durchgängige Randkantenstruktur sein, welche auch einen Abschluss des Rands des Metallsandwichteils 30 ausbildet, wie unten in Verbindung mit 15 detaillierter beschrieben wird.
Die in 1 gezeigte Sandwichstruktur ist aus vier Blechen aus einem Metall hergestellt, beispielsweise einer Titan-6-4-Legierung, welches superplastische und Diffusionsverbindungseigenschaften aufweist. Superplastische Eigenschaften umfassen die Fähigkeit des Metalls, ungewöhnlich große Zugdehnungen und eine plastische Verformung bei erhöhten Temperaturen zu entwickeln, mit einer verringerten Neigung zur Einhalsung oder Verdünnung. Diffusionsverbinden bezieht sich auf ein metallurgisches Verbinden von zwei Metallstücken durch atomare Vermischung an der Stoßfläche der zwei Stücke, wenn sie erhitzt werden und über eine hinreichende Zeit hinweg in eine enge Berührung gedrückt werden. Es ist ein Festkörperverfahren, welches zu der Ausbildung eines einzelnen Metallstücks aus zwei oder mehr getrennten Stücken führt, ohne eine sichtbare Verbindungslinie zwischen ihnen, und ist durch die Abwesenheit irgendeiner wesentlichen Änderung von metallurgischen Eigenschaften des Metalls gekennzeichnet, wie sie bei anderen Verbindungsarten auftreten, beispielsweise bei Löten oder Schweißen. Die Eigenschaften einer superplastischen Umformung und eines Diffusionsverbindens sind nun verhältnismäßig gut verstanden und werden detailliert in den Patenten Nr. 3,927,817 an Hamilton und 4,361,262 an Israeli erörtert.
Wendet man sich nun 2 zu, ist ein Stapel 42 aus vier Blechen, welche die in 1 gezeigte Sandwichstruktur bilden, in explodierter Form gezeigt, um die Relativpositionen der Bleche und die Relativpositionen der Merkmale an und zwischen den Blechen zu zeigen. Der Stapel 42 von Blechen und Hardpoint-Bestandteilen von 2 ist in 3 in seiner Konfiguration anschließend an das superplastische Umformen und Diffusionsverbinden gezeigt. Der Stapel 42 umfasst zwei Kernbleche 44 und 46 und obere und untere Außenflächenbleche 48 und 50. Ein Kerngasanschlussstück 52 ist zwischen die zwei Kernbleche 44 und 46 eingefügt, welche später zusammengeschweißt werden, um einen Kernpacken 45 zu bilden. Das Kerngasanschlussstück stellt eine Verbindung zu einem Ausbildungsgaszuführsystem zum Aufblasen des Kernpackens 45 während einer superplastischen Umformung zur Verfügung, wobei der Kernpacken 45 superplastisch aufgeblasen wird, wie in 5 dargestellt ist und unten detaillierter beschrieben wird. Ein Außenummantelungsgasanschlussstück 54 ist in eine Einkerbung 56 in dem Kernpacken 45 eingefügt, welches mit dem Innenraum eines Außenummantelungspackens 47 in Verbindung steht, der durch das Schweißen um den Rand der Außenflächenbleche 46 und 48 gebildet wird. Das Ummantelungsgasanschlussstück 54 stellt einen Gasströmungsweg in den Raum oberhalb und unterhalb des Kernpackens 45 und zwischen die Außenflächenbleche 48 und 50 für eine superplastische Umformung zur Verfügung, wie unten beschrieben wird. Die Gasanschlussstücke 52 und 54 werden später während des Verfahrens in den Stapel 42 geschweißt.
Die Bleche 44-50 werden auf die gewünschte Größe zugeschnitten, welche die Größe und Form der Planungsform des Sandwichstrukturteils plus 1,3-15 cm (1/2"-6") (normalerweise 2,5-5 cm (1"-2")) für einen Flansch 58 um den Teil ist, mit welchem der Teil in der superplastischen Pressform eingeklemmt werden kann, und mit welchem er in der Anordnung, für die er bestimmt ist, angebracht werden kann. Nach dem Schneiden werden die Bleche in einer herkömmlichen Entfettungsvorrichtung, beispielsweise einem Dampfentfetter, entfettet, oder können mit Aceton abgewischt werden, um die Bleche zu reinigen und Tintenmarkierungen zu entfernen, welche von dem Hersteller auf die Bleche gedruckt worden sind. Die Bleche werden dann durch Immersion chemisch gereinigt, zuerst in einem Laugenbad, um Restfett und andere derartige Verunreinigungen zu entfernen, welche nach dem Entfettungsschritt zurückbleiben, und dann in einem Säurebad, beispielsweise 42% Salpetersäure und 2,4% Flusssäure, um Metalloxide von den Titanlegierungsblechen zu entfernen. Die gereinigten Bleche werden in sauberem Wasser gespült, um Rückstände des Säurereinigers zu entfernen, aber Rückstände der Spüllösung bleiben nach der Entfernung aus dem Spülbad an den Blechen. Diese Rückstände werden von den Blechen durch Abwischen mit einem Gewebebausch, beispielsweise einem Gazestoff, entfernt, welcher mit einem als Reagenz geeigneten Lösungsmittel angefeuchtet ist, beispielsweise mit einem wasserarmen („punctilious") Ethylalkohol. Die Bleche werden abgewischt, bis die Gaze nach dem Abwischen sauber zurückkommt. Der Alkohol verdampft, wobei kein Rückstand zurückgelassen wird und die Bleche frei von Verunreinigungen gelassen werden, welche eine vollständige und rasche Diffusionsverbindung stören würden, wenn die Bedingungen für eine solche Verbindung hergestellt werden.
Wenn gekrümmte Platten hergestellt werden, kann es wünschenswert sein, eine Seite eines der Kernbleche 44 und 46 mit einer Isolier- („stopp-off") Verbindung, beispielsweise Bornitrid zu beschichten, um ein unbeabsichtigtes Diffusionsverbinden zu verhindern. Für großflächige Oberflächen kann das Bornitrid in einer Lösung, beispielsweise einer Mischung aus Wasser und Alkohol, aufgelöst werden und mit einer elektrostatischen Sprühanlage auf den gesamten Oberflächenbereich der einen Seite des einen Blechs gesprüht werden. Das Wasser und der Alkohohl verdampfen und lassen eine dünne gleichmäßige Beschichtung aus Bornitrid auf der Oberfläche des Titan blechs zurück. Für kleinere Oberflächen kann die Isolierung aus einer Sprühdose mit einer Lösung von Bornidrid in einer Alkohollösung gesprüht werden, welche kommerziell von der Cerac Company, Milwaukee, Wisconsin, erhältlich ist. Die Isolierung wird, falls sie verwendet wird, sorgfältig von dem Bereich zwischen den Blechen 44 und 46, in welchen der Hardpoint 40 sein wird, ausgeschlossen, da ein Diffusionsverbinden in diesem Bereich gewünscht ist.
Das beschichtete Blech wird zu dem anderen Blech ausgerichtet und daran angelegt, wobei die mit Bornitrid beschichtete Fläche zu dem anderen Blech zeigt. Die zwei Kernbleche 44 und 46 werden in dem in 2 und 4 gezeigten Muster auf einer in 6A und 6B gezeigten Laserschweißvorrichtung, gekauft von Convergent Energy Corp., Sturbridge, Massachusetts, laserverschweißt. Die Vorrichtung 59 umfasst einen CNC-Bewegungssteuertisch 60, auf welchem die Bleche 44 und 46 platziert werden und in einem ausgerichteten Stapel befestigt werden. Eine vertikal ausfahrbare Klemmbetätigungseinrichtung, beispielsweise ein angetriebener Stempel, ist über dem Tisch 60 montiert. Der Stempel weist ein Anschlussstück auf, an welchem ein Druckwagen 62, welcher in 7 und 8 detaillierter gezeigt ist, montiert ist, um eine vertikale Kraft auf die Bleche auszuüben, um sie während des Laserschweißens mit einem Laserstrahl, welcher durch die Mitte des Wagens 62 vertikal nach unten auf den Tisch gerichtet wird, in eine enge Berührung zu drücken.
Der Bewegungssteuertisch 60 weist eine Reihe von parallelen Rillen 64, welche sich nach oben öffnen, in seiner oberen Oberfläche und ein perforiertes Rohr 66 in jeder Rille auf. Die Rohre 66 sind mit einem Verteiler verbunden, welcher über einen (nicht gezeigten) Drucksteuerregler mit einer Argongas zuleitung verbunden ist. Argon wird durch die Rohre zugeführt, um den Bereich zwischen dem Tisch 60 und dem unteren Kernblech 46 zu befluten und um Sauerstoff und Stickstoff aus dem Bereich zu verdrängen. Wie in 6B gezeigt ist, kann der Bereich des Tischs 60, welcher nicht mit den Blechen 44 und 46 bedeckt ist, mit einem anderen Blech bedeckt sein, welches mit Gewichten oder Magneten auf dem Tisch 60 nach unten gehalten wird, um ein Ansaugen von Sauerstoff aus der Atmosphäre unter die Bleche 44 und 46 zu verhindern zu sichern. Der Bewegungssteuertisch 60 ist mit Betätigungseinrichtungen, beispielsweise mit Kugelumlaufspindeln oder Ähnlichem verbunden, um den Tisch 60 auf Gleitflächen in den X-Y-Richtungen in einer horizontalen Ebene unter dem Druckwagen 62 zu bewegen.
Die (nicht gezeigte) Laservorrichtung weist ein optisches System auf, um den Laserstrahl von einem Lasergenerator vertikal durch einen Gewindeverbinder 68 an dem Wagen 62 zu lenken und zu fokussieren. Der Verbinder 68 kann gelockert werden, um den Wagen 62 so zu drehen, dass er in eine gewünschte Richtung zeigt, und kann dann mit einer Gegenmutter festgezogen werden, um in diese Richtung gerichtet zu bleiben. Eine Gasbeflutungsdüse 70, welche in 7 am deutlichsten gezeigt ist, ist an dem unteren Ende des Verbinders 68 montiert, um einen breiten Heliumstrom mit niedrigem Druck auf das obere Kernblech 44 an dem Schweißpunkt zu lenken, wo der Laserstrahl auf das obere Blech 44 auftritt. Das Heliumgas verdrängt Sauerstoff und Stickstoff von dem Schweißpunkt und verhindert die Bildung von Titanoxiden und Titannitriden über der Laserschweißverbindung. An der oberen Seite wird Helium anstelle von Argon verwendet, da es das Plasma verstärkt, während Argongas dazu neigt, das Plasma zu unterdrücken. Anstatt eines schmalen Gasstrahls mit hohem Druck, welcher bei einem Laserschneiden verwendet wird, um das geschmolzene Metall aus der Schnittfuge zu verdrängen, um einen schmalen Schnitt durch das Metall zurückzulassen, wird das Gasbeflutungsverfahren verwendet, um ein Stören der Lache aus geschmolzener Titanlegierung zu vermeiden.
Der Laserschweißdruckwagen 62 weist eine obere Platte 72 mit einem Mittelloch 74 auf, um welches die Gewindeverbindung 68 angeschweißt ist. Vier Blechseiten 76 hängen von der oberen Platte 72 herab, um eine Umschließung für eine Heliumwolke bereitzustellen, um den Schweißpunkt und einen umgebenden Bereich zu bedecken. Von einem Paar von Federschlaufen 78 ist jeweils eine an jeder Seite des Wagens 62 befestigt und stützt ein Paar von Balken 80, welche beispielsweise durch Schrauben 82 an den Federschlaufen 78 angebracht sind. Zwei beabstandete Achsen 84 sind in Löchern in den Balken 80 drehbar gelagert, erstrecken sich zwischen den Balken und stützen zylinderförmige Räder 86.
Im Gebrauch wird ein Paar von Kernblechen 44 und 46 auf den Tisch 60 gelegt und darauf mit Klemmbefestigungen 88 befestigt. Das Argongas wird angestellt, um die Unterseite des unteren Kernblechs 46 durch die Rohre 66 mit Inertgas zu befluten und um den Sauerstoff und den Stickstoff aus dem Bereich zwischen dem Tisch 60 und der Unterseite des Blechs 46 zu verdrängen. Die Durchflussrate wird von der Tischgröße und der Anzahl von Rillen abhängen, aber für einen Tisch mit 252 cm² (36 in²) reicht eine Durchflussrate von 0,57 m³ pro Stunde (20 ft³ pro Stunde) aus. Die Steuereinrichtung für die Tischbetätigungseinrichtungen ist mit der Geschwindigkeit und der Haltezeit der Tischbewegung und dem Abstand zwischen benachbarten Schweißnähten programmiert. Der Wagen 60 ist mit der Ebene seiner Räder 86 parallel zu den Rillen 64 in dem Tisch 60 ausgerichtet, und der Vertikalbewegungsmechanismus, an welchem der Wagen 62 montiert ist, wird abgesenkt, um die Räder 86 mit der oberen Oberfläche des oberen Blechs 44 zu koppeln. Die vertikale Verlängerung des Vertikalbewegungsmechanismus wird ausgewählt, um die Federschlaufen 78 in dem Umfang zu biegen, welcher nötig ist, um die gewünschte Druckkraft zu erzeugen, welche von den Rädern 86 auf das obere Blech 44 ausgeübt wird. Beispielsweise kann eine Kraft von 170 N (38 Pound) durch zwei Titanfederschlaufen mit einer Breite von 1,3 cm (1/2") und einer Länge von 8,9 cm (3 1/2") ausgeübt werden, wenn sie um 1,9 cm (3/4") gebogen werden. Dies wäre eine hinreichende Kraft, um zwei Titanlegierungsbleche mit einer Dicke von 0,64 mm (0,025") in eine derart enge Berührung zu drücken, dass man eine hervorragende Laserschweißnaht mit einer minimalen oder keiner Porosität erhält.
Anstelle der federmontierten Räder 86 können an dem Wagen 62 mehrere Kugelrollen vorgesehen sein, beispielsweise sechs Rollen, wobei jede Rolle an dem Ende eines Kolbens montiert ist, welcher in einem Zylinder, der an dem Wagen angebracht ist, durch eine Feder oder durch Gasdruck vorgespannt ist, zur Verwendung unter Umständen, in welchen gekrümmt Schweißlinien gewünscht werden, insbesondere Kurven mit einem kleinen Radius, welchen zu folgen die Räder 86 Schwierigkeiten hätten.
Das Heliumgas wird mit einer Durchflussrate von ungefähr 40 ft³ pro Stunde angestellt, und nachdem die Luft aus der Blechmetallumschließung 76 ausgeblasen worden ist, wird der Laser mit einer Dauerstrichleistung von ungefähr 650 Watt eingeschaltet. An dem Beginn der Schweißnaht darf der Laser ungefähr 0,25 Sekunden an dem Anfangspunkt in der Schweißnaht verweilen, wie in 9A und 9B dargestellt ist. Die Verweilzeit schmilzt eine kleine Lache aus Titan und bildet einen kugelförmigen Knotenpunkt 90 an dem Anfang der Schweißnaht anstatt des üblichen scharfen Punkts an dem Anfang einer Laserschweißnaht aus, welcher Kräfte in einem kleinen Punkt konzentrieren kann und während einer superplastischen Umformung einen Riss in dem Metall einleiten kann, welcher sich dann in der Verschweißung oder anderswo in dem Material fortpflanzen könnte.
Nach der Verweilzeit wird der Tisch 60 wie in 9C dargestellt bewegt, um zu bewirken, dass sich der Schweißpunkt entlang der Bleche 44 und 46 bewegt, um eine Schweißlinie 92 zu erzeugen. Die Bewegungsgeschwindigkeit wird auf der Grundlage der Laserleistung und der Blechdicke ausgewählt. Für zwei Bleche aus Titan-6-4-Legierung mit einer Dicke von 0,64 mm (0,025") und einer Laserleistung von 650 Watt, welche durch eine Linse mit einer Brennweite von 6,4 cm (2,5") fokussiert wird, erzeugt eine Tischgeschwindigkeit von 60 Inch/min eine vollständige Schweißnaht von hervorragender Güte. Eine längere Brennweite von der Größenordnung von 12,5 cm (5") funktioniert für dickere Bleche besser, da die Länge des Strahls, welche auf einen engen Durchmesser fokussiert wird, länger ist, und da die Linse selbst weg von allen Schweißspritzern von dem Auftreffpunkt des Laserstrahls auf das Material entfernt wird.
Wenn der Schweißpunkt den Mittelpunkt der Schweißlinie 92 passiert, wird die Laserenergie stufenweise abgesenkt, bis sie schließlich von den Blechen 44/46 entkoppelt, wie in 9D angezeigt ist. Der Tisch 60 wird nun bewegt, um den Laserpunkt an dem anderen Ende der Schweißlinie zu positionieren, und der Laser wird wieder eingeschaltet und darf wie vorher verweilen, um einen anderen kugelförmigen Knotenpunkt 90 an dem anderen Ende der Schweißlinie zu erzeugen, wie in 9E angezeigt ist. Nach der Haltezeit wird der Tisch bewegt, um den Laserschweißpunkt in Richtung des ersten Endes der Schweißnaht zu bewegen, wie in 9F angezeigt ist, und wenn der Laser den Schweißlinienmittelpunkt erreicht, wird die Laserenergie stufenweise abgesenkt, so dass der Laser über den vorher geschweißten Abschnitt zurückschweißt, wie in 9G gezeigt ist, und dann seine Leistung abnimmt, bis der Laser schließlich von den Blechen 44/46 entkoppelt. Die stufenweise Leistungsabsenkung verhindert die Ausbildung eines unterschnittenen Endabschnitts in einer Laserschweißnaht, welcher andernfalls auftritt, wenn die Laserenergie abrupt abgesteuert wird.
Das Schweißmuster, welches schematisch in 2 und 4 gezeigt ist, weist die Form einer Reihe von orthogonal ausgerichteten Kreuzen 94 auf oder ist, anders betrachtet, ein Gittermuster mit Unterbrechungen oder Zwischenräumen 96 in den Schweißlinien in der Mitte zwischen jedem Schnittpunkt 98 in den Schweißlinien. Die Zwischenräume 96 in den Schweißlinien 92 stellen einen Durchgang zur Verfügung, durch welchen Ausbildungsgas strömen kann, wenn der Kernpacken 45 superplastisch umgeformt wird, indem er auf 900°C (1650°F) in einer Pressform erhitzt wird und indem Ausbildungsgas durch das Kerngasanschlussstück 52 eingespeist wird, wie schematisch in 5 dargestellt ist. Wenn der Kernpacken 45 aufgeblasen wird, öffnen sich die Zwischenräume 96, um nahezu kreisförmige Öffnungen 100 in Rippen 36 zur Verfügung zu stellen, welche durch das Material der oberen und unteren Kernbleche 44 und 46 ausgebildet werden, wenn sich das Material superplastisch weg von den Laserschweißnähten 92 dehnt.
Nachdem das Gittermuster in die Bleche 44 und 46 lasergeschweißt ist, werden die Bleche 44 und 46 vollständig um ihren Rand und um das Kerngasanschlussstück 52 dicht geschweißt, um den Rand des Kernpackens 45 vollständig abzudichten. Eine günstige Schweißart für diesen Zweck ist Wolframschutzgasschweißen, bei welchem der Schweißbogen in die Kantenseite der Bleche 44 und 46 gerichtet werden kann. Eine herkömmliche Edelstahlkompressionsverbindung, beispielsweise eine (nicht gezeigte) Swagelok-Verbindung, wird an dem Gasanschlussstück 52 angebracht, und ein Ende einer kurzen Länge eines Edelstahlgasrohrs wird an der Kompressionsverbindung angebracht. Das andere Ende des Rohrs wird geschlossen gequetscht und abgeschlossen geschweißt, um den Innenraum des Kernpackens 45 gegen ein Eindringen von Reinigungsflüssigkeit für den folgenden Reinigungsvorgang abzudichten.
Der abgedichtete Kernpacken 45 wird durch Immersion in dem Laugenbad und dem Beizbad wie oben beschrieben gereinigt, und Oberflächen, welche diffusionsverbunden werden müssen, werden mit einem Gewebebausch abgewischt, welcher mit einem Alkohol mit geringem Wassergehalt angefeuchtet worden ist, wie ebenfalls oben beschrieben worden ist. Der gereinigte Kernpacken 45 wird zwischen den gereinigten Außenflächenblechen 48 und 50 eingebaut, wobei das Ummantelungsgasanschlussstück 54 in der Einkerbung 56 positioniert wird. Die Hardpoints 40 und 41 werden über dem Kernpacken 45 an den gewünschten Stellen positioniert und werden mit Stiften 104 an ihrem Platz angeheftet. Die Hardpoints 40 und 41 werden durch zwei Halbblöcke 106 und 108 gebildet, von welchen jeweils einer an jeder Seite des Kernpackens 45 positioniert ist und mit den Stiften 104 durch die Blöcke 106 und 108 und durch den Kern 45 angeheftet ist, wonach die Stifte in ihrer Position verschweißt werden. Die Außenflächenbleche 48 und 50 werden über den Kernpacken 45 gelegt, und die Halbblöcke 106 und 108 und der vollständige Sandwichpacken 47 wird um die Außenrandkante 53 durch WIG-Schweißen abgedichtet. Wie in 10 gezeigt ist, sind die Außenflächenbleche 48 und 50 hinreichend biegsam, um hinreichend nach innen gebogen zu werden, um den Kernpacken 45 für ein Verschweißen in einer einzelnen Randschweißnaht zu berühren. Falls die Hardpoint-Blöcke 106 und 108 zu dick oder zu nahe an dem Rand sind, um zu erlauben, dass die Außenflächenbleche 48 und 50 nach innen gebogen werden, um, wie in 10 gezeigt, an den Kernpacken 45 geklemmt und geschweißt zu werden, können die Außenflächenbleche 32 und 34 vorgeformt sein, um Aufwölbungen oder Blasen über den Halbblöcken 106 und 108 vorzusehen. Alternativ kann ein Paar von Randrahmenhälften 170 und 172 als ein Dichtungsabstandshalter zwischen den oberen und unteren Außenflächenblechen und dem Kernpacken 45 verwendet werden, wie unten in Verbindung mit 15 detailliert beschrieben wird. Die zwei separaten oberen und unteren Randrahmenhälften werden positioniert, wobei die obere Rahmenhälfte zwischen dem Kernpacken 45 und dem oberen Blech 48 liegt und wobei die untere Rahmenhälfte zwischen dem Kernpacken 45 und dem unteren Außenflächenblech 50 liegt.
Der Rand der zwei Außenflächenbleche 48 und 50 plus der Kernpacken 45 wird bei 53 rundum dicht geschweißt, und die Ummantelungsgasanschlussstücke 54 werden an die Sandwichummantelung 42 dicht geschweißt, um einen vollständigen Packen 110 zu erzeugen, welcher vollständig abgedichtet ist, mit Ausnahme des Gasströmungswegs, welcher in den Ummantelungspacken 42 zwischen die Außenflächenbleche 48 und 50 durch das Ummantelungsgasanschlussstück 54 und die Einkerbung 56 bereitgestellt wird. Der vollständige Packen ist nun bereit für eine superplastische Ausbildung und ein Diffusionsverbinden, um die aufgeweitete Metallsandwichstruktur mit integrierten Hardpoints gemäß dieser Erfindung zu erzeugen. Das Verfahren ist schematisch in 11A-E dargestellt und wird unten beschrieben.
Die Außenoberflächen des Packens 110 werden mit einem Trennmittel beschichtet, beispielsweise mit der oben beschriebenen Bornitrid-Isolierung („stopp-off"). Kompressionsanschlussstücke sind an den Gasanschlussstücken 52 und 54 angebracht, und Gasleitungen von einem Ausbildungsgassteuersystem, beispielsweise dem in dem US-Patent Nr. 5,419,170 an Sanders et al. beschriebenen, sind mit den Kompressionsverbindungen verbunden. Der vollständige Packen wird mit einem trockenen Inertgas gereinigt, beispielsweise mit Argon, um Luft und Feuchtigkeit von dem Innenraum des Ummantelungspackens 49 und des Kernpackens 45 zu entfernen. Dies kann erreicht werden mit mehreren Folgen eines abwechselnden Vakuumsaugens und Wiederbefüllens mit Argon unter einem Druck von 3,4 kPa (0,5 psi) in dem Ummantelungspacken 49 und 69 kPa (10 psi) in dem Kernpacken 45, bis der Innenraum der Packen 45 und 49 von Luft und Feuchtigkeit sauber gereinigt ist. Alternativ können an den zwei verschachtelten Ummantelungen jeweils zwei Gasanschlussstücke vorgesehen sein, und ein trockenes Inertgas, beispielsweise Argon, kann in ein Anschlussstück in jeder Ummantelung gepumpt werden und aus dem anderen Anschlussstück abgesaugt werden. Die Packen 45 und 49 werden nun mit Argon unter Überdruck gesetzt, um die Flächen voneinander zu trennen. Der Druck in dem Kernpacken 45 ist bevorzugt größer als der Druck in dem Ummantelungspacken 49, da die Gitterschweißnähte 92 dazu neigen, die Kernbleche 44 und 46 fester zusammenzuhalten als die Randschweißnaht die Außenflächenbleche 48 und 50 zusammenhält, aufgrund des kleineren Radius an dem Kernpacken 45. Der Anfangsdruck ist 0,7 kPa (0,1 psi) in der Hautzone in dem Ummantelungspacken 49 und 69 kPa (10 psi) in dem Kernpacken 45. Dies stellt einen hinreichenden Druck zur Verfügung, um eine Berührung und ein vorzeitiges Diffusionsverbinden zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der Bleche zu verhindern, der aber nicht so hoch ist, dass ein vorzeitiges Annehmen einer Kissenform der Kernummantelung oder ein Reißen der Bleche an den Laserschweißnähten oder den Randschweißnähten verursacht wird. Der unter Überdruck gesetzte Packen 110 wird in einer Pressform 112 platziert, welche auf ungefähr 870°C (1600°F) vorgeheizt ist, und die Pressform wird geschlossen und wird mit einer (nicht gezeigten) superplastischen Formpresse gegen den Druck von Ausbildungsgas geschlossen gehalten, welches verwendet werden wird, um die Elemente des Kernpackens und des Ummantelungspackens superplastisch zu verformen. An der Pressform können Rillen vorgesehen sein, welche sich von einem Innenhohlraum zu dem Außenraum erstrecken, und in welchen die Gasanschlussstücke 52 und 54 liegen, um zu verhindern, dass die Gasdurchgänge durch den Flansch 58 geschlossen gequetscht werden. Nach dem Schließen der Pressform wird der Druck des Ausbildungsgases in dem Ummantelungspacken 49 sofort erhöht, um eine Ausdehnung der Außenflächenbleche 48 und 50 weg von dem Kernpacken 45 sicherzustellen, und der Druck in dem Kernpacken 45 wird auch erhöht, um der Kompression des Gasdrucks in dem Ummantelungspacken 49 Widerstand zu leisten.
Nachdem der Packen eine Umformtemperatur in der Pressform 112 erreicht hat, wird der Druck in dem Ummantelungspacken 49 und dem Kernpacken 45 auf einen Umformdruck erhöht, und die Bleche 44, 46, 48 und 50 dehnen sich superplastisch, wie in 11C und 11D gezeigt ist, und gehen eine Diffusionsverbindung ein, wie in 11D und 11E gezeigt ist. Die superplastische Umformung der Kernbleche 44 und 46 um die Laserschweißnähte 92 ist in 12A-C und in 5 und 11 gezeigt. Die kleine Breite der Laserverschweißung 92 stellt einen kleinen Bereich bereit, um welchen sich die Bleche 44 und 46 wickeln müssen, wenn sie sich über die Verschweißung 92 zurückfalten, um eine Diffusionsverbindung miteinander einzugehen, um die Rippe 36 zu bilden. Dies wird einer in 13 gezeigten verhältnismäßig breiten Verschweißung 92' gegenübergestellt, welche mit einem herkömmlichen Widerstandsschweißrad hergestellt ist. Man kann sehen, dass bei der Rippe 36'', die in 13 gezeigt ist, die Verdünnung in dem Bereich oberhalb und unterhalb der Verschweißung 92'' beträchtlich größer ist, als sie es für die in 14 gezeigte Laserverschweißung 92 ist.
Nachdem der Packen 110 vollständig umgeformt ist, wie in 11E dargestellt, wird der Druck auf nahe Umgebungsdruck verringert, ungefähr auf 0,1 psi, und die Presse wird geöffnet, um die Pressform 112 zu öffnen. Der Sandwichteil wird aus dem Pressformhohlraum 114 entfernt und darf abkühlen, während der Gasdruck geringfügig über dem Umgebungsdruck aufrechterhalten wird, um zu verhindern, dass der abkühlende Teil ein Vakuum zieht und unter dem Luftdruck zusammenbricht. Nach einem Abkühlen unter 480°C (900°F) und bevorzugt unter 260°C (500°F) werden die Gasleitungen von den Kompressionsverbindungen entfernt und der Teil wird mit zusammengequetschten und geschweißten Gasleitungen in den Verbindungen abgedichtet, um jeden äußeren Alpha-Case wieder zu entfernen, welcher sich auf dem Teil aufgrund einer Berührung der Außenoberflächen mit Luft bei einer hohen Temperatur gebildet haben kann. Nach dem Reinigen kann der Teil beschnitten werden, um die Gasanschlussstücke 52 und 54 zu entfernen, und der Teil ist fertig.
Falls es gewünscht wird, abgedichtete Durchgangsöffnungen in dem Teil zu haben, kann der vollständige Packen 110 in einem Kreis um den Bereich, in welchem die Öffnung anzuordnen ist, laserverschweißt werden. Das Innere dieses Bereichs kann mit einer Laserschneidevorrichtung ausgeschnitten werden, welche den gleichen Laser und Tisch 60 verwendet, aber eine Hochdruckgasdüse anstelle der Gasbeflutungsdüse, welche in 7 gezeigt ist, verwendet. Der vollständige Packen wird auf einer Schutzmatte platziert, um ein Schneiden oder ein Bespritzen der Oberfläche des Tischs 60 zu verhindern, wenn der Laser durch den Packen schneidet, wenn er das Loch in der Mitte des Dichtschweißungsbereichs ausschneidet. Eine Hülse, welche die gleiche Höhe wie der Sandwichstrukturteil aufweist, wird in die durch den Laser ausgeschnittene Öffnung eingeführt, und der vollständige Packen 110 mit den in den Öffnungen installierten Hülsen wird in dem Pressformhohlraum 114 platziert und wird superplastisch um die Hülsen geformt. Falls die Hülse ein nicht superplastisches Material, beispielsweise Edelstahl, ist, kann sie entfernt oder zurückbehalten werden, was immer für die Anwendung gewünscht wird. Falls ein superplastisches Material, beispielsweise Titan, verwendet wird, wird es an seiner Stelle in der Öffnung eine Diffusionsverbindung eingehen und das Innere der Öffnung ausbilden. Die Hülse kann später mit einem Gewindeeinsatz für eine Gewindeverbindung mit dem Teil versehen werden, oder die „Hülse" kann ein Titanvollrohling sein, welcher gebohrt und gewindegeschnitten werden kann, nachdem der Teil für einen Verbindungs-Hardpoint mit der Sandwichstruktur ausgebildet worden ist.
Wendet man sich nun 16 zu, ist ein anderes Ausführungsbeispiel der aufgeweiteten Metallsandwichstruktur mit vier Blechen dargestellt, welches einen abgestuften Block 120 aufweist, der einen oberen Abschnitt 122 und einen längeren, breiteren unteren Abschnitt 124 aufweist, welche sich an ei nem Zwischenvorsprung oder einer Schulter 126 treffen, die eine nach oben zeigende Oberfläche bereitstellt, an welche ein Kernpacken 145 entlang einer durchgängigen Randschweißlinie 146 lasergeschweißt wird, welche eine in dem Kernpacken ausgeschnittene Öffnung 148 vollständig umgibt, um den oberen Abschnitt 122 des abgestuften Blocks 120 aufzunehmen. Anderweitig ist der Kernpacken 145 identisch zu dem Kernpacken 45 in dem Ausführungsbeispiel von 2 und 4, und die Vorgänge zur Kernpackenherstellung sind die gleichen. Die Öffnung 148 in dem Kernpacken 145 kann ausgeschnitten werden, nachdem der Kernpacken gereinigt wird, oder sie kann vor dem Reinigen lasergeschnitten und abgedichtet werden. Die Rippen 36 für das Ausführungsbeispiel mit abgestuftem Block von 16 sind identisch zu denjenigen, welche in 2 und 3 gezeigt sind.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in 15 gezeigt ist, weist einen integrierten Randrahmen 160 um die Außenrandkante der Sandwichstruktur auf. Die Randkante stellt eine feste Kantenstruktur zur Verfügung, mit welcher die Sandwichstruktur an einer benachbarten Struktur in der Anordnung, von welcher sie ein Teil ist, mit geeigneten Befestigern befestigt werden kann, beispielsweise mit der Maschinenschraube 164, welche aus einem Gewindeloch 166 in der Kante des Randrahmens 160 herausexplodiert gezeigt ist.
Der Randrahmen 160 kann unter Verwendung des Geteilter-Block-Verfahrens, welches in 2, 3 und 11 gezeigt ist, hergestellt werden. Der Rahmen 160 wird durch zwei separate durchgängige obere und untere Rahmenhälften 170 und 172 gebildet, welche über und unter den Kernpacken 45 gelegt werden, welcher zu dem Kernpacken 45, der in 2 und 4 gezeigt ist, identisch ist. Das Anschlussstück 52 und 54 kann wie für 2 und 4 beschrieben verwendet werden, oder separate obere und untere Ummantelungsgasanschlussstücke 54 können geeignet in den Rahmenhälften 170 und 172 vorgesehen sein, um den Raum zwischen dem Kernpacken 45 und den Außenflächenblechen 32 und 34 unter Überdruck zu setzen. Die Außenflächenbleche werden an die Randrahmenhälften 170 bzw. 172 lasergeschweißt, und der Kernpacken 45 und Stoßrandkanten der Rahmenhälften werden miteinander WIG-verschweißt, um die Verbindung der Rahmenhälften und des Kernpackens 45 abzudichten. Geeignet könnte der Randrahmen als eine einzelne abgestufte Struktur hergestellt werden, welche eine Stufe zur Verfügung stellt, an welche die Randkante des Kernpackens 45 auf eine Weise geschweißt würde, welche der in 16 gezeigten ähnlich ist.
Falls benötigt, können innere Hardpoints in dem zentralen Bereich des Teils platziert werden, wie in 1 und 2 gezeigt ist, um einen zentralen Verbindungspunkt für eine Betätigungseinrichtungsverbindung oder Ähnliches zur Verfügung zu stellen, wie in 1 gezeigt ist. Der Teil wird, wie für das Ausführungsbeispiel von 2 beschrieben worden ist, superplastisch aufgeweitet und diffusionsverbunden, und der Rand des Teils wird beschnitten, um die Randverschweißung zu entfernen und eine gleichmäßige flache Kante mit einem durchgängigen Randabschluss zur Verfügung zu stellen. Befestigerlöcher oder andere Befestigungsoberflächen können dann in dem Randrahmen 160 maschinell gefertigt werden.
Die Trennung der oberen und unteren Außenflächenbleche 32 und 34 von dem Kernpacken 45, welche durch den Randrahmen 160 zur Verfügung gestellt wird, ermöglicht eine Verbesserung in dem Kernumformungsverfahren, welche ein Eckenausdünnungsproblem löst, das Hersteller der Metallsandwichstrukturen mit vier Blechen über Jahre hinweg geplagt hat. Das Ausdünnungsproblem ist eine übermäßige Verdünnung der Rippe 36, wo sie an die oberen und unteren Bleche 32 und 34 an den Ecken 180 der Zellen 38 angrenzt. Die Ausdünnung ist eine Folge daraus, dass die Kernbleche 44 und 46 an den Außenflächenblechen 32 und 34 anhaften, wenn der Kern 45 bei superplastischen Temperaturen aufgeblasen wird. Die Abschnitte der Kernbleche 44 und 46, welche an den Außenflächenblechen 32 und 34 anhaften, können sich nicht mehr superplastisch dehnen, so dass jede zusätzliche Dehnung im Anschluss daran in den Abschnitten der Kernbleche 44 und 46 erfolgt, welche sich noch nicht in Kontakt mit den Außenflächenblechen 32 und 34 befinden. Die Folge ist eine zunehmende Ausdünnung der Kernbleche 44 und 46, wenn sie in Richtung der Ecken 180 geformt werden. Die herkömmliche Lösung für dieses Problem ist es, Kernbleche zu verwenden, welche dick genug sind, um sogar nach einer solchen Ausdünnung eine angemessene Eckendicke zu erzeugen. Jedoch führt diese Methode zu dickeren Rippen 36 und oberen und unteren Blechen, als anderweitig notwendig ist, und zu einem größeren Gewicht, als gewünscht ist.
Das Eckenausdünnungsproblem wird durch ein Vordünnen der Kernbleche 44 und 46 in den zentralen Bereichen der Zellen 38 in den Schweißlinien 92 gelöst, wie in 17-19 gezeigt ist. Der Kernpacken 45 wird normal, wie in 2 gezeigt, hergestellt, aber ohne die Hardpoint-Blöcke 106 und 108. Der Kernpacken 45 wird in einer Pressform 190 platziert, welche zentral oberhalb und unterhalb der Zellen 38 zwischen den Schweißlinien 92 angeordnete Taschen 192 aufweist. Die Pressform 190 weist keine Tasche in zentralen Bereichen auf, in welchen ein zentraler Hardpoint anzuordnen ist. Der Kernpacken 45 wird auf superplastische Temperaturen erhitzt und wird durch Gasdruck durch das Gasanschlussstück 52 aufgeweitet, um die Kernbleche 44 und 46 in die Taschen 192 in den oberen und unteren Hälften der Pressform 190 umzuformen, wo durch Aufwölbungen 194 und 196 in den Kernblechen 44 und 46 ausgebildet werden, welche in 18 teilweise ausgebildet und in 19 vollständig ausgebildet und montiert gezeigt sind. Nach der Umformung wird der Kernpacken 45 entlüftet und aus der Pressform 190 entfernt. Die Randrahmenhälften 170 und 172 werden mit der Randkante des vorgeformten Kernpackens 45 zusammengesetzt, und die Außenflächenbleche 32 und 34 werden über und unter die Rahmenhälften gelegt und an diese geschweißt, wie in 19 gezeigt ist.
Der zusammengesetzte Packen, welcher in 19 gezeigt ist, wird in einer Pressform platziert, beispielsweise der Pressform 112, und wird auf superplastische Temperaturen erhitzt, während ein geringfügiger Gasdruck in dem Kernpacken 45 und dem Ummantelungspacken zwischen dem Kernpacken 45 und den Außenflächenblechen 32 und 34 aufrechterhalten wird, um eine Trennung der Bleche aufrechtzuerhalten, so dass keine vorzeitige ungewünschte Diffusionsverbindung auftritt. Da die Aufwölbungen 194 und 196 vorgedünnt sind, bleibt, wenn sie die oberen und unteren Bleche 32 und 34 berühren und an diesen anhaften, die Dicke der Zwischenabschnitte der Kernbleche 44 und 46 zwischen den Schweißnähten 92 und den Aufwölbungen 194 und 196 die volle Dicke oder nahezu die volle Dicke, so dass, wenn diese Zwischenabschnitte in die Ecken 180 nach oben verformt werden, sie eine hinreichende Dicke beibehalten, um die Festigkeit bereitzustellen, welche nötig ist, um den Beanspruchungen standzuhalten, die an diesen Stellen konzentriert sind.
Wendet man sich nun 21 und 22 zu, ist eine Metallsandwichstruktur 200 mit fünf Blechen gezeigt, welche obere und untere Bleche 202 und 204, die dazwischen einen offenen Innenraum definieren, und eine Mehrzahl von Fachwerkrippen 206 aufweist, die mit den oberen und unteren Außenflächenblechen 202 und 204 verbunden sind und den Innenraum überspannen, um die oberen und unteren Bleche zu koppeln und die Struktur 200 zu versteifen. Ein Hardpoint 210 liegt zwischen den Außenflächenblechen 202 und 204 und ist integriert verbunden mit den Außenflächenblechen 202 und 204 und auch den Fachwerkrippen 206, und koppelt diese. Der Hardpoint 210 stellt eine wesentliche Struktur zur Verfügung, mit welcher die Struktur 200 an einer anderen benachbarten Struktur in der Anordnung, beispielsweise einer Bewegungsbetätigungseinrichtung der Struktur 200, oder an benachbarten Teilen angebracht werden kann, mit welchen sie in einer starren Anordnung zu verbinden ist. Der Hardpoint 210 kann hohe Spannungsbelastungen aushalten und überträgt die Lasten gleichmäßig zu den oberen und untere Außenflächenblechen 202 und 204 und zu den Fachwerkrippen 206, um hohe Spannungskonzentrationen an den dünnen Blechen in der Struktur 200 zu vermeiden.
Wie in 21 gezeigt ist, wird die Struktur 200 aus einem Kernpacken 214 mit drei Blechen, oberen und unteren Außenflächenblechen 202 und 204 und oberen und unteren Halbblöcken 216 und 218 hergestellt. Der Kernpacken 214 wird aus drei Blechen aus Metall gebildet, welche superplastische und Diffusionsverbindungsfähigkeiten aufweisen, beispielsweise die oben beschriebene Titanlegierung, welches gereinigt wird und mit nicht durchgeschweißten Laserschweißnähten in einem Muster geschweißt wird, welches in 21 gezeigt ist. Eine durchgeschweißte Laserschweißnaht 220 wird um den Bereich hergestellt, welcher durch die Halbblöcke 216 und 218 bedeckt ist, um das Innere des Kernpackens 214 in diesem Bereich von Ausbildungsgasdruck zu isolieren, um eine unerwünschte Gasströmung durch Löcher zu verhindern, durch welche die Halbblöcke an den Kernpacken 214 geheftet sind. Ein Gasanschluss stück ist in den Packen 214 für eine Verbindung mit einer Quelle von Ausbildungsgas, beispielsweise Argon unter Druck, durch ein oben beschriebenes Gasdrucksteuersystem geschweißt. Der Packen 214 wird entlang seines gesamten Rands dichtgeschweißt und wird, wie oben beschrieben, gereinigt.
Ein Ummantelungspacken 222 wird, wie in 21 gezeigt ist, aus dem Kernpacken 214, den zwei Halbblöcken 216 und 218 und den Außenflächenblechen 202 und 204 zusammengefügt. Die Halbblöcke werden an den Kernpacken 214 geheftet, indem sie genau an der gewünschten Stelle positioniert werden und indem ein Paar von Löchern 224 durch die Halbblöcke und den Kernpacken gebohrt wird und ein Stift durch die Löcher 224 eingeschlagen wird, um die Halbblöcke in ihrer Position zu arretieren.
Die Außenflächenbleche 202 und 204 werden um ihren Außenrand an den Außenrand des Kernpackens 214 dichtgeschweißt. Falls die Halbblöcke dünn genug sind, können die Außenflächenbleche 202 und 204 nach innen zu dem Kernpacken 214 gebogen werden und an diesem um ein Ummantelungsgasanschlussstück wie das Gasanschlussstück 54 dichtgeschweißt werden, welches eine Verbindung mit dem Raum zwischen dem Kernpacken 214 und den Außenflächenblechen 202 und 204 aufweist. Alternativ können die Außenflächenbleche 202 und 204, wie an der rechten Seite von 21 angezeigt ist, mit einer Randlippe 226, welche an den Kernpacken 214 dichtgeschweißt werden kann, und einem Wandabschnitt 228 vorgeformt sein, mit welchem der zentrale Abschnitt der Außenflächenbleche 202 und 204 dazu gebracht wird, von den Halbblöcken 216 und 218 abzustehen. Eine weitere Alternative ist es, einen Randrahmen 160, wie er in 15 gezeigt ist, zu verwenden, um die Außenflächenbleche 202 und 204 während der Umformung von dem Kernpacken 214 beabstandet zu halten. Die Gasanschlussstücke werden mit dem Gassteuersystem verbunden und die Innenräume in dem Kernpacken 214 und dem Ummantelungspacken 222 werden durch eine Durchflutung mit Argon von Sauerstoff gereinigt.
Der Ummantelungspacken 222 wird in einer Pressform platziert, welche einen Umformungshohlraum mit inneren Pressformhohlraumoberflächen aufweist, die wie die Außenformlinie des herzustellenden Teils geformt sind. Der Kernpacken 214 und der Ummantelungspacken 222 werden mit Argon durch (nicht gezeigte) Gasanschlussstücke geringfügig unter Überdruck gesetzt, welche eine Verbindung von einem Gassteuersystem zu dem Innenraum des Kernpackens 214 herstellen und welche eine Verbindung von dem Gassteuersystem zu dem Innenraum des Ummantelungspackens 222 in dem Raum zwischen den Außenflächenblechen 202 und 204 und dem Kernpacken 214 herstellen, um sicherzustellen, dass die Bleche getrennt sind, außer wo sie zusammengeschweißt sind. Die Pressform wird geschlossen, wobei sie die Randkante des Ummantelungspackens eingeklemmt und die oberen und unteren Außenflächenbleche 202 und 204 gegen die oberen und unteren Oberflächen der Halbblöcke 216 und 218 drückt, und wobei sie die Halbblöcke gegen den Kernpacken 214 drückt. Die große Hitze und der Druck bewirken ein Diffusionsverbinden der oberen und unteren Außenflächenbleche 202 und 204 mit den Halbblöcken 216 und 218 und ein Diffusionsverbinden der Halbblöcke mit den Blechen des Kernpackes 214 zwischen den Halbblöcken. Das Ergebnis ist ein integrierter monolithischer Hardpoint 210 ohne sichtbare Verbindungslinien, wo die mehreren Elemente der Struktur 200 miteinander verbunden sind.
Nachdem der Ummantelungspacken 222 eine superplastische Temperatur in der Pressform erreicht hat, wird der Gasdruck erhöht, um die Außenflächenbleche gegen die Pressformhohlraum- Oberflächen aufzuweiten und um den Kernpacken nach außen gegen die Außenflächenbleche 202 und 204 aufzuweiten, wie in 20 gezeigt ist. Der Raum zwischen den Kernblechen und den Außenflächenblechen 202 und 204 wird durch das Gasanschlussstück entlüftet oder ausgepumpt, welches mit diesem Raum in Verbindung steht, und der Gasdruck an den Kernpacken wird erhöht, um einen Druck auf die oberen und unteren Kernbleche auszuüben, um sie gegen die Außenflächenbleche 202 und 204 zu drücken, um ein Diffusionsverbunden zu erleichtern. Die diagonalen Rippen 206 ragen von der Mitte des Hardpoints 210 hervor und sind mit diesem diffusionsverbunden, um die auf den Hardpoint ausgeübte Last weiter gleichmäßig durch die Sandwichstruktur 200 zu verteilen. Nachdem das Diffusionsverbinden abgeschlossen ist, wird der Gasdruck abgesenkt und die Pressform wird geöffnet, um den Teil aus dem Pressformhohlraum zu entfernen. Der Teil ist fertig mit Ausnahme einer Kantenbeschneidung und einer maschinellen Bearbeitung oder einem Bohren von Befestigungsoberflächen, beispielsweise Löchern oder Ähnlichem, in dem Hardpoint 210.
Natürlich können so viele Hardpoints wie benötigt in dem Teil 200 hergestellt werden, und ein Randhardpoint in der Form eines Randrahmens 160 kann in der Struktur 200 hergestellt werden, falls ein fester Randabschluss oder eine Kantenbefestigungsstruktur gewünscht werden, unabhängig von der Abstehfunktion, welche durch den Randrahmen zur Verfügung gestellt wird. Die Hardpoints können auf jede gewünschte Weise maschinell bearbeitet werden, um Ausnehmungen für eine bündige Montage von Befestigern oder anderen Befestigungsteilen bereitzustellen, beispielsweise von dem aus seiner Ausnehmung in dem Hardpoint 40 in 1 herausexplodiert gezeigten Schäkel. Sie können auch gebohrt und gewindegeschnitten werden, um Gewindebefestiger aufzunehmen, oder gebohrt werden, um Bolzen aufzunehmen, welche festgezogen werden können, um die Befestiger mit einer Spannung für eine sichere Befestigung vorzuspannen, ohne eine Quetschung der Sandwichstruktur, da der Hardpoint eine hinreichende Druckfestigkeit aufweist, um der von dem Bolzen ausgeübten Zugkraft entgegenzuwirken.
Wendet man sich nun 22 und 23 zu, ist eine aufgeweitete Metallfachwerkkernsandwichstruktur 240 gezeigt, welche ein oberes Außenflächenblech 242 und ein unteres Außenflächenblech 244 aufweist, die dazwischen einen offenen Raum definieren. Eine Mehrzahl von Rippen 246, welche sich diagonal zwischen den Außenflächenblechen 242 und 244 erstrecken, koppelt die Außenflächenbleche und versteift die Struktur 240. Ein Hardpoint 250 ist zwischen den Außenflächenblechen 242 und 244 angeordnet und mit diesen diffusionsverbunden, wodurch eine Befestigungsstruktur zur Verfügung gestellt wird, mit welcher die Sandwichstruktur 240 an benachbarten Teilen einer größeren Anordnung angebracht werden kann, wie oben erklärt wurde. Die diagonalen Rippen 246 sind auch mit dem Hardpoint 250 diffusionsverbunden, um Befestigungslasten weiter über die gesamte Sandwichstruktur zu verteilen, ohne eine Befestigungspunkt überzubelasten.
Die in 22 gezeigte Sandwichstruktur wird aus einem in 23 gezeigten Ummantelungspacken 252 gebildet, welcher einen Kernpacken 254 und die zwei Außenflächenbleche 242 und 244 aufweist. Der Kernpacken 254 wird auf dieselbe Weise, wie sie oben für den Kernpacken 214 des Ausführungsbeispiels von 20 und 21 beschrieben worden ist, zusammengefügt und geschweißt. Ein einzelner Block 250 liegt zwischen dem oberen Außenflächenblech 242 und dem Kernpacken 254, und der Kernpacken 254 liegt in einer Berührung mit dem unteren Außenflächenblech 244.
Der zusammengesetzte Ummantelungspacken 252 wird um den Rand dichtgeschweißt und wird durch Gasanschlussstücke von Luft gereinigt, wie für das Ausführungsbeispiel von 20 und 21 oben beschrieben worden ist, und wird mit trockenem Argon geringfügig unter Überdruck gesetzt, um die Bleche in dem Packen 252 voneinander zu trennen, um ein vorzeitiges Diffusionsverbinden in der Pressform zu verhindern. Der abgedichtete Ummantelungspacken 252 wird in eine superplastische Umformungspressform eingefügt und wird darin auf superplastische Temperaturen erhitzt.
Wenn superplastische Temperaturen von ungefähr 1600°F erreicht sind, wird der Gasdruck in dem Packen erhöht, um die Trennung zwischen den Blechen zu vergrößern und die Umformung der Außenflächenbleche gegen die Innenoberflächen des Pressformhohlraums zu beginnen. Gleichzeitig übt die Pressform einen mechanischen Druck auf die Aufstapelung von Außenflächenblechen 242 und 244, dem Hardpoint 250 und dem Kernpacken 254 aus, um ein Diffusionsverbinden zwischen den Stoßflächen dieser Elemente in der Aufstapelung zu bewirken.
Wenn die Außenflächenbleche vollständig gegen die Pressformhohlraumoberflächen umgeformt sind, wird der Gasdruck in dem Kernpacken 254 durch das Kernpackengasanschlussstück erhöht und wird durch geeignete Öffnungen, welche zwischen oder um die Schweißlinien gelassen wurden, gleichmäßig über den ganzen Kernpacken hinweg übertragen. Der Kernpacken dehnt sich superplastisch gegen die Außenflächenbleche 242 und 244 aus, wobei er das mittlere Kernblech in die diagonale Fachwerkrippenstruktur 246 zieht, die in 22 gezeigt ist. Die oberen und unteren Bleche des Kernpackens 254 gehen eine Diffusionsverbindung mit den oberen und unteren Außenflächenbleche 242 bzw. 244 ein, und das obere Außenflächenblech geht eine Diffusionsverbindung mit den Seiten des Hardpoints 250 ein, wodurch eine integrierte Struktur ausgebildet wird, durch welche innere Spannungen in der Sandwichstruktur 240 gleichmäßig ohne Spannungskonzentrationen an irgendeinem speziellen Punkt fließen können.
Nachdem das Diffusionsverbinden abgeschlossen ist, wird der Druck auf einen Druck nahe bei Atmosphärendruck verringert. Die Gasanschlussstücke werden nicht geöffnet, um das Ansaugen von Sauerstoff in den heißen Kern des Teils 240 zu vermeiden, bis er kühl ist. Ein geringfügiger Druck wird in dem Kern aufrechterhalten, um zu verhindern, dass der sich abkühlende Teil ein Vakuum zieht und sich unter dem Atmosphärendruck verzieht. Die Pressform wird geöffnet und der Teil wird aus der Pressform entfernt, während sie noch heiß ist, so dass ein anderer Teil hergestellt werden kann, ohne Wärme von der Pressform zu verschwenden.
Offensichtlich werden Fachleuten zahlreiche Modifizierungen und Abwandlungen der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele angesichts dieser Offenbarung in den Sinn kommen. Somit sollte es sich ausdrücklich verstehen, dass diese Abwandlungen und Modifizierungen und die Äquivalente derselben als im Umfang der Erfindung liegend zu betrachten sind, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, wobei wir beanspruchen:

Claims

Verfahren zur Herstellung einer superplastisch ausgebildeten diffusionsverbundenen Sandwichstruktur (30) mit einem integrierten Metall-Hardpoint (40, 41) zur Anbringung der Sandwichstruktur an einer anderen Struktur, umfassend: Verbinden von wenigstens drei superplastischen Metallblechen (44, 46, 48, 50) miteinander in einen Packen durch Schweißen oder Diffusionsverbinden entlang eines Musters von Linien (92), welche Verbindungslinien zwischen den Blechen bilden, wenn der Packen durch Gasdruck bei superplastischen Temperaturen aufgeblasen wird; Anordnen wenigstens eines Metallblockeinsatzes (106, 108) zwischen wenigstens zwei der Blechen, wobei der Metalleinsatz den Hardpoint ausbildet, wenn die Bleche und der Einsatz auf den Einsatz miteinander diffusionsverbunden werden; Abdichten aller Bleche in dem Packen miteinander um eine Außenrandkante, um eine gasdichte Ummantelung zu erzeugen; Erhitzen des Packens auf superplastische Temperaturen und Diffusionsverbinden von wenigstens zwei der Bleche mit oberen und unteren Oberflächen des Metalleinsatzes (106, 108); Aufblasen des Packens bei superplastischen Temperaturen gegen Innenoberflächen (114) einer Pressform (112) durch Einspeisen von Gas unter Druck durch eine Gasleitung in der Randkante, um eine aufgeweitete Metallsandwichstruktur auszubilden, welche obere und untere Außenflächenbleche in Berührung mit den Innenoberflächen der Pressform aufweist, und welche integrierte Rippen und einen integrierten Hardpoint (40, 41) aufweist, der durch den Metallblockeinsatz (106, 108) ausgebildet wird, der den Raum zwischen den Außenflächenblechen überspannt und mit diesen diffusionsverbunden ist, wodurch die oberen und unteren Außenflächenbleche gekop pelt sind und wodurch ein Lastweg zwischen den Außenflächenblechen (48, 50) durch den Metallblockeinsatz für Kräfte ausgebildet wird, welche von Befestigern ausgeübt werden, die die Sandwichstruktur (30) mit der anderen Struktur verbinden; Entlüften des Gasdrucks, Abkühlen der aufgeweiteten Metallsandwichstruktur und Entfernen der aufgeweiteten Metallsandwichstruktur aus der Pressform (112); und Bohren von Löchern in der Sandwichstruktur in Ausrichtung mit dem Metalleinsatz (106, 108) durch wenigstens eines der Bleche und in den Metalleinsatz zur Aufnahme der Befestiger, mit welchen die Sandwichstruktur (30) an der anderen Struktur angebracht werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Diffusionsverbinden der zwei Bleche (48, 50) mit dem oberen Ende und dem untere Ende des Metalleinsatzes durch Anwendung von Hitze und Ausübung von Druck von oberen und unteren Innenoberflächen (114) des Pressformhohlraums erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Packen drei der Bleche umfasst, und wobei der Einsatz zwischen einem Außenflächenblech (48) und einem Kernblech (44) des Packens angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Aufblasen des Packens ein Aufblasen der oberen und unteren Außenflächenbleche gegen die oberen und unteren Innenoberflächen des Pressformhohlraums und ein Aufweiten eines Kernpackens, welcher wenigstens zwei Kernbleche aufweist, die entlang von Funktionslinien zusammengeschweißt sind, gegen Innenoberflächen der oberen und unteren Außenflächenbleche und ein Diffusionsverbinden des Kerns mit diesen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: der Packen ein oberes Außenflächenblech (48), ein unteres Außenflächenblech (50) und einen Kern aus einem oberen Kernblech (44) und einem unteren Kernblech (46) umfasst, die durch Schweißen oder Diffusionsverbinden entlang des Musters von Linien (92), welches die Verbindungslinien ausbilden wird, miteinander verbunden sind; der Einsatz einen oberen Halbblock (106) und einen unteren Halbblock (108) umfasst; der obere Halbblock zwischen dem oberen Außenflächenblech und dem oberen Kernblech angeordnet ist; und der untere Halbblock zwischen dem unteren Kernblech und dem unteren Außenflächenblech des Packens angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei: das Aufweiten des Kerns ein Aufblasen des Kerns umfasst, um das obere Kernblech nach oben in Berührung mit dem oberen Außenflächenblech und mit einer Seitenfläche des oberen Halbblocks zu drücken, und um das untere Kernblech in Berührung mit dem unteren Außenflächenblech und mit einer Seitenfläche des unteren Halbblocks zu drücken.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei: die Seitenflächen des oberen Halbblocks nach oben erweitert sind, und wobei die Seitenflächen des unteren Halbblocks nach unten erweitert sind, um einen Steigungswinkel für einen problemlosen Übergang von Kräften von dem Einsatz zu den oberen und unteren Außenflächenblechen und den Rippen bereitzustellen, welche durch die Kernbleche ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Erhitz- und Druckschritte in einem Ablauf befinden, welcher umfasst: a) Erhitzen des Packens in der Pressform, bis die Temperatur des Packens zwischen 815°C und 955°C (1500°F und 1750°F) liegt; b) Schließen der Pressform und Ausüben eines Drucks auf die Außenflächenbleche, um die Außenflächebleche gegen den Einsatz zu pressen, und Aufrechterhalten des Drucks bei der Temperatur, bis die Außenflächenbleche mit dem Einsatz diffusionsverbunden sind; c) Einspeisen des Ausbildungsgases unter einem Druck von 0,14-4,1 MPa (20-600 PSI) zwischen den Außenflächenblechen, um die Außenflächenbleche weg von einander und gegen die Pressformhohlraumoberflächen mit einer Dehnrate zu formen, welche für die Metallbleche geeignet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Packen die drei Bleche, welche einen Kernpacken bilden, und zwei Außenflächenbleche umfasst, eines an jeder Seite des Kernpackens, welche einen Ummantelungspacken bilden, der den Kernpacken umschließt; der Aufblasschritt ein Einspeisen von Ausbildungsgas in den Ummantelungspacken mit einem hinreichenden Druck, um die Außenflächenbleche superplastisch in eine Berührung gegen die Pressformflächen zu dehnen, und ein Einspeisen von Gas in den Kernpacken umfasst, um den Kernpacken aufzuweiten und um obere und untere Kernpackenbleche gegen die Außenflächenbleche superplastisch zu dehnen; Entlüften von Druck in den Ummantelungspacken, während Gasdruck in dem Kernpacken aufrechterhalten wird, um die oberen und unteren Kernpackenbleche gegen die Außenflächenbleche zu drücken, und Aufrechterhalten des Drucks in dem Kernpacken, bis die Außenflächenbleche mit den oberen und unteren Kernpackenblechen diffusionsverbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Abdichten der Bleche um den Außenrand durch ein Dichtschweißen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei: der Metalleinsatz an dem einen Metallblech angeheftet ist, um den Einsatz in seiner Position zu halten, während der Packen zusammengefügt und entlang des Außenrands dichtverschweißt wird.
Aufgeweitete Metallsandwichstruktur (30), welche integrierte innere Versteifungsrippen (36) und wenigstens einen integrierten Metall-Hardpoint (40, 41) aufweist, umfassend: ein oberes Blech aus superplastischem Metall und ein unteres Blech aus superplastischem Metall, wobei das obere und das untere Blech voneinander beabstandet sind und dazwischen einen eingeschlossenen Innenraum in der Sandwichstruktur definieren; eine Mehrzahl von Rippen (36), welche integriert mit den oberen und unteren Blechen verbunden sind und diese verbinden, wobei die Rippen den eingeschlossenen Innenraum überspannen; wenigstens einen Metallblockeinsatz (106, 108), welcher integriert mit dem oberen Blech und dem unteren Blech verbunden ist und den eingeschlossenen Innenraum überspannt, wobei der Einsatz einen Hardpoint zur Bereitstellung eines Lastwegs zwischen den oberen und unteren Blechen zur Verteilung von Kräften ausbildet, welche auf die Sandwichstruktur von Befestigungsteilen ausgeübt werden, mit welchen die Sandwichstruktur mit einer benachbarten Struktur verbunden wird; und eine Mehrzahl von Befestigerlöchern durch wenigstens eines der Bleche und wenigstens teilweise in den Metallblock-Hardpoint zur Aufnahme von Befestigern, mit welchen die Sand wichstruktur an einer anderen Struktur angebracht werden kann.
Aufgeweitete Metallsandwichstruktur nach Anspruch 12, wobei: der Metalleinsatz (106, 108) ebenfalls integriert mit wenigstens einer der Rippen (36) verbunden ist und einen Lastweg zwischen der Rippe und dem Hardpoint (40, 41) zur Verteilung der Kräfte ausbildet, welche auf die Sandwichstruktur (30) von Befestigungsteilen ausgeübt werden, mit welchen die Sandwichstruktur mit einer benachbarten Struktur verbunden wird.
Aufgeweitete Metallsandwichstruktur nach Anspruch 13, wobei: der Metalleinsatz (106, 108) mit der Rippe und den oberen und unteren Blechen durch Diffusionsverbinden verbunden ist.
Aufgeweitete Metallsandwichstruktur nach Anspruch 14, wobei: der Einsatz ein Metallblock ist, in welchem Anbringungsoberflächen zur Aufnahme der Befestigungsteile maschinell gefertigt sind, mit welchen die aufgeweitete Metallsandwichstruktur an einer benachbarten Struktur angebracht wird.
Aufgeweitete Metallsandwichstruktur nach Anspruch 13, wobei: der Einsatz aus einem superplastischen Material hergestellt ist und sich dem Raum zwischen den oberen und unteren Blechen anpasst, wenn die Pressform geschlossen ist und einen Druck über die oberen und unteren Bleche auf den Einsatz ausübt.
Aufgeweitete Metallsandwichstruktur nach Anspruch 12, wobei: der Einsatz ein einzelner Block ist, welcher in eine Öffnung eingepasst ist, die durch ein Paar von Kernblechen (44, 46) geschnitten ist, aus welchen die Rippen ausgebildet sind.
Aufgeweitete Metallsandwichstruktur nach Anspruch 17, wobei: die Kernbleche integriert mit dem Block verbunden sind.
Aufgeweitete Metallsandwichstruktur nach Anspruch 13, wobei: der Hardpoint einen Randrahmen umfasst, der die Metallsandwichstruktur umgibt und als eine Außenkante derselben existiert, und welcher mit den oberen und unteren Blechen verbunden ist und sich zwischen diesen erstreckt, und welcher integriert mit den Rippen verbunden ist.
Aufgeweitete Metallsandwichstruktur nach Anspruch 13, wobei: die Rippen die Form von diagonalen Fachwerkrippen aufweisen, die sich in einem Winkel zwischen den oberen und unteren Außenflächenblechen erstrecken und welche mit dem Hardpoint verbunden sind.
Strukturanordnung, umfassend: einen aufgeweiteten Metallsandwichteil und eine benachbarte Struktur, an welcher der Sandwichteil angebracht ist; wobei der aufgeweitete Metallsandwichteil ein oberes Blech, ein von dem oberen Blech beabstandetes unteres Blech, integrierte Rippen, die den Raum zwischen den oberen und un teren Blechen überspannen und integriert mit diesen verbunden sind, und einen integrierten Metallblock-Hardpoint umfasst, der mit den oberen und unteren Blechen integriert ist, wobei der Hardpoint einen Lastweg zwischen den oberen und unteren Blechen zur Verteilung von Kräften bereitstellt, die auf die Sandwichstruktur von Befestigungsteilen ausgeübt werden, mit welchen die Sandwichstruktur mit einer benachbarten Struktur verbunden ist; und Befestigerlöcher durch wenigstens eines der Bleche und wenigstens teilweise in den Hardpoint zur Aufnahme von Befestigern zum Anbringen des auf geweiteten Metallsandwichteils mittels des Hardpoints an der benachbarten Struktur.
Strukturanordnung nach Anspruch 21, weiterhin umfassend: Eingriffsoberflächen in dem Hardpoint, welche sich mit Befestigungsteilen in Eingriff befinden, die sich zwischen der benachbarten Struktur und dem Metallsandwichteil erstrecken, wobei die Befestigungsteile in einem Spannungszustand vorhanden sind, um die benachbarte Struktur und den Teil fest aneinander zu befestigen.
Strukturanordnung nach Anspruch 22, wobei: der Hardpoint die Form eines Randrahmens aufweist, der den Teil als eine Randstruktur desselben umrandet.
Strukturanordnung nach Anspruch 23, wobei: der Randrahmen eine durchgängige Randkantenoberfläche aufweist, welche sich um den Teil erstreckt und welche Außenrandkanten der oberen und unteren Bleche direkt verbindet und integriert mit diesen verbunden ist, wobei die Randkante des Rahmens einen Abschluss des Teils bildet, welcher mit den zwei Außenrandkanten der oberen und unteren Bleche bündig ist.
Strukturanordnung nach Anspruch 24, wobei: die Eingriffsoberflächen eine Lochöffnung in der durchgängigen Randkante des Randrahmens zur Aufnahme eines Befestigers umfassen, mit welchem der Teil an der benachbarten Struktur angebracht ist.
Strukturanordnung nach Anspruch 23, wobei: die Rippen integriert mit dem Randrahmen verbunden sind und Kräfte von der benachbarten Struktur durch den Rahmen zu den oberen und unteren Blechen und durch den Teil koppeln, wodurch Spannungskonzentrationen an Befestigungspunkten an dem Teil vermieden werden.
Strukturanordnung nach Anspruch 22, weiterhin umfassend: Ausnehmungen, welche in dem Hardpoint maschinell gefertigt sind, zur Aufnahme der Befestigungsteile in einer vertieften Position in Außenoberflächen der oberen und unteren Bleche.
Verfahren zum Anbringen einer superplastisch ausgebildeten diffusionsverbundenen Sandwichstruktur an einer benachbarten Struktur, umfassend: Auswählen einer superplastisch ausgebildeten diffusionsverbundenen Sandwichstruktur, welche ein oberes Blech, ein unteres Blech, das von dem oberen Blech beabstandet ist und dazwischen einen Innenraum definiert, integrierte Rippen, welche den Innenraum überspannen und integriert mit den oberen und unteren Blechen verbunden sind, und einen Metall-Hardpoint aufweist, der mit den oberen und unteren Blechen und mit Abschnitten der Rippen integriert ist; maschinelles Fertigen einer Öffnung durch wenigstens eines der Bleche und wenigstens teilweise in den integrierten Metall-Hardpoint zur Aufnahme von Befestigungsteilen zum Anbringen der Sandwichstruktur an der benachbarten Struktur; Einführen der Befestigungsteile in die Öffnung und Ineingriffbringen von Oberflächen in der Öffnung mit den Befestigungsteilen; und Anbringen der Befestigungsteile an der benachbarten Struktur, um die Sandwichstruktur an der benachbarten Struktur anzubringen, und um einen Lasttransferweg zwischen der Sandwichstruktur und der benachbarten Struktur zu bilden, welcher Lasten dazwischen gleichmäßig in der Sandwichstruktur verteilt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei: die Öffnung ein Loch ist, welches durch den Hardpoint gebohrt ist; die Befestigungsteile ein Bolzen sind, welcher sich durch das Loch und durch ein anderes Loch in der benachbarten Struktur erstreckt und welcher mit einer Mutter befestigt ist, die angezogen ist, um eine Zugkraft auszuüben, die die benachbarte Struktur an der Sandwichstruktur hält, wobei der Hardpoint eine hinreichende Druckfestigkeit aufweist, um der Zugkraft entgegenzuwirken, welche von der Mutter und dem Bolzen ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei: die Öffnung ein Loch ist, welches in den Hardpoint gebohrt ist und welches mit einem Gewinde mit schraubenförmigen Gewindegängen versehen ist; die Befestigungsteile eine Maschinenschraube sind, welche sich in das Loch und durch ein anderes Loch in der benachbarten Struktur erstreckt, wobei die Maschinenschraube schraubenförmige Gewindegänge aufweist, die sich in Eingriff mit den schraubenförmigen Gewindegängen des Lochs befinden, und auf die ein Drehmoment nach unten ausgeübt wird, um eine Zugkraft auszuüben, die die benachbarte Struktur an der Sandwichstruktur hält, wobei der Hardpoint eine hinreichende Festigkeit aufweist, um der Zugkraft entgegenzuwirken, welche von der Maschinenschraube ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei: der Hardpoint einen Randrahmen umfasst, welcher die Sandwichstruktur umgibt und eine Randkante derselben bildet.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei: der Randrahmen eine durchgängige Struktur ist und einen aufrechten Randabschluss um die Sandwichstruktur bildet.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei: der Hardpoint entlang einer Kante der Sandwichstruktur positioniert ist, und wobei die Öffnung ein Loch ist, welches in eine seitlich weisende Kante des Randrahmens gebohrt ist, um die Befestigungsteile aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei: das Loch in der seitlich weisenden Kante des Randrahmens mit einem Gewinde versehen ist, um schraubenförmige Gewindegänge herzustellen, die die Oberflächen in der Öffnung für einen Eingriff mit einem Befestiger mit Gewinde bilden, der die Befestigungsteile umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei: der Hardpoint zwei Halbblöcke umfasst, die in dem Innenraum angeordnet sind, wobei die zwei Halbblöcke mit den Außenflächenblechen und mit einem Kernblech diffusionsverbunden sind, welches die Rippen ausbildet, um eine integrierte einheitliche Struktur auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei: Einführen der Befestigungsteile in einer Ausnehmung, die in dem Hardpoint maschinell gefertigt ist, um die Befestigungsteile innerhalb von inneren und äußeren Formlinien aufzunehmen, die von Außenoberflächen der oberen und unteren Bleche definiert werden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei: die Befestigungsteile Befestiger umfassen, die ein Blatt eines Scharniers an dem Hardpoint halten, wobei das Scharnier ein anderes Blatt aufweist, das an der benachbarten Struktur angebracht ist, wobei das Scharnier die Sandwichstruktur an der benachbarten Struktur für eine Drehung relativ zu dieser anbringt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallsandwichstruktur zwei beabstandete Außenflächenbleche, die an Außenoberflächen eine Außenformlinie und an Innenoberflächen dazwischen einen offenen Raum definieren, und eine Mehrzahl von Rippen aufweist, welche den offenen Raum überspannen und die zwei Außenflächenbleche koppeln, umfassend: Vorformen von zwei Kernblechen eines Kerns bei vorgewählten Bereichen in dem mittleren Bereich von Zellen des Kerns in einer Blase, um die Kernbleche in den ausgewählten Bereichen vorzudünnen; Zusammenfügen der Außenflächenbleche und des Kerns in einen Packen, wobei die Außenflächenbleche den Kern umschließen; Einfügen eines ersten Gasanschlussstücks, welches eine Verbindung von außerhalb des Packens zu einem Kerninnenraum innerhalb des Kerns zwischen den Kernblechen herstellt, und Einfügen eines zweiten Gasanschlussstücks, welches eine Ver bindung von außerhalb des Packens zu einem Packeninnenraum innerhalb des Packens zwischen dem Kern und den Außenflächenblechen herstellt; Abdichten der Außenflächenbleche und des Kerns miteinander um eine Außenrandkante des Packens in zwei ineinander geschachtelte luftdichte Ummantelungen, welche eine Innenummantelung und eine Außenummantelung umfassen, wobei die Innenummantelung den Kern umfasst, und wobei die Außenummantelung die Außenflächenbleche umfasst; Erhitzen des Packens auf superplastische Temperaturen in einer Pressform, welche einen Pressformhohlraum mit Innenoberflächen aufweist, die wie die Außenformlinie der Metallsandwichstruktur ausgeformt sind; Aufblasen der Außenummantelung, während sie sich bei superplastischen Temperaturen befindet, gegen die Pressformhohlrauminnenoberflächen durch Einspeisen von Ausbildungsgas in die Außenummantelung durch das zweite Gasanschlussstück, und Aufblasen der Innenummantelung gegen die Außenummantelung durch Einspeisen von Ausbildungsgas in die Innenummantelung durch das erste Gasanschlussstück; Diffusionsverbinden der Kernbleche um die Verbindungslinien mit Abschnitten der Kernbleche an gegenüberliegenden Seiten der Verbindungslinien, und mit den Außenflächenblechen, um die Rippen um die Zellen herzustellen; wobei eine Ausdünnung der Rippen bei Verbindungsbereichen der Rippen und der Außenflächenbleche minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 38, weiterhin umfassend: Einführen eines Hardpoints in der Form eines Randrahmens zwischen den Außenflächenblechen, welcher den Kern umgibt, wobei der Randrahmen eine Randkante der Sandwichstruktur bildet; wobei der Randrahmen eine Dickenabmessung in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der oberen und unteren Außenflächenbleche aufweist, welche wenigstens gleich der kombinierten Höhe der Kernblasen ist; wobei der Randrahmen eine Trennung zwischen den Kernblasen und den Außenflächenblechen während eines Erhitzens auf superplastische Temperaturen aufrechterhält, damit eine Verformung der Blasen durch die Außenflächenbleche und ein vorzeitiges Diffusionsverbinden bei erhöhten Temperaturen vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 38, weiterhin umfassend: Montieren des Randrahmens als zwei getrennte obere und untere Rahmenhälften, wobei die obere Rahmenhälfte zwischen dem Kern und dem oberen Blech liegt, und wobei die untere Rahmenhälfte zwischen dem Kern und dem unteren Außenflächenblech liegt.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei: der Abdichtungsschritt ein Verschweißen des Kernblechs, der oberen und unteren Rahmenhälften und der oberen und unteren Außenflächenbleche miteinander entlang von Außenrandkanten derselben umfasst.