WO2015052257A1

WO2015052257A1 - Leichtbaustruktur und verfahren zum herstellen einer leichtbaustruktur

Info

Publication number: WO2015052257A1
Application number: PCT/EP2014/071575
Authority: WO
Inventors: Johann SCHWÖLLER
Original assignee: Schwöller Johann
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2015-04-16
Also published as: EP3055124A1; US20160311188A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur (8) weist zumindest eine im Wesentlichen plattenförmige Strukturwandlung (4) und ein Hüllelement (1) auf. Die Strukturwandung und das Hüllelement sind jeweils aus einem Faser-Verbundmaterial ausgebildet. Die Strukturwandung (4) ist aus einer ersten Faser-Außenschicht (1b) und einer zweiten Faser-Außenschicht (1c) ausgebildet. Zumindest in einem Teilbereich der Stirnfläche (6) der Strukturwandung (4) ist ein U-förmiges Verbindungsprofil (5) angeordnet, das eine Basiswandung (9) und zwei Seitenwandungen (10) aufweist. Die Basiswandung (9) ist an der Stirnfläche (6) der Strukturwandung (4) und die Seitenwandungen (10) des U-förmigen Verbindungsprofils (5) sind an den Außenflächen der ersten und zweiten Faser-Außenschichten (1b, 1c) anliegend angeordnet und mit den Faser-Außenschichten (1b, 1c) verbunden.

Description

Leichtbaustruktur und Verfahren zum Herstellen einer Leichtbaustruktur

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leichtbaustruktur und ein Verfahren zum Herstellen einer Leichtbaustruktur, insbesondere für Luftfahrzeuge.

Es ist bekannt, Leichtbaustrukturen herzustellen, indem Hüllenelemente, wie etwa die Außenhaut eines Tragflügels von Flugzeugen durch plattenförmige Verstärkungsrippen oder dergleichen, verstärkt werden, die im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Hüllenelements angeordnet sind. Extremer Leichtbau wird dadurch erreicht, dass Faserverbundmaterialien verwendet werden, das heißt plattenförmige Bauelemente, die aus dünnen Kohlefaserschichten oder Glasfaserschichten mit einer dazwischen liegenden Schaumlage bestehen. Je nach Grad des Leichtbaus kann diese dazwischen liegende Schaumlage auch als Wabenstruktur oder Tubusmaterial ausgebildet sein. Eine solche Struktur ist beispielsweise in der WO 03/018295 A beschrieben. Die Herstellung solcher Strukturen ist jedoch aufwendig und kostenintensiv.

Um die Zug- und Druckbelastungen des Verstärkungsbauteils für die Biegebeanspruchung der Schale aufnehmen zu können, werden an den Außenzonen des Verstärkungsbauteiles z.B. eines Holmes Stränge aus Faserverbund-Materialien eingelegt, die in der Höhe so bemessen sein müssen, dass die Zug- und Druckkräfte aufgenommen werden können, dass aber auch genügend Klebefläche an der Seite dieser Einlage zur Verfügung steht, damit eine sichere Verklebung mit den Außenschichten ge- geben ist. Dies bedarf einer aufwändigen Handarbeit, um ein brauchbares Gewichts- Festigkeitsverhältnis erreichen zu können.

Durch diese Konstruktion erhält man jedoch eine sehr schmale Stegfläche des Verstärkungsbauteils, um dieses mit dem Hüllenelement verbinden zu können. Die Sandwich-Innenschichten solcher Hüllenelemente bzw. Schalenkonstruktionen sind jedoch meist sehr dünn ausgeführt und können durch die schmale Stegbreite des Verstärkungselements die Druck-, Zug- oder die Scherbelastungen meist nicht übernehmen. Daher kann in diesem Bereich in der Schale meist kein Kernmaterial eingelegt werden, um einen direkten Verbund mit der Außenschicht zu ermöglichen. Um in diesem Anbin- dungsbereich jedoch genügend Biege- und Beulsteifigkeit zu erreichen, müssen zusätzliche Lagen an Faserverbundmaterial eingebracht werden, wodurch sich das Gewicht erhöht. Dies Aussparung des Sandwichmaterials in diesem Bereich sowie die Einbringung des Verstärkungsmaterials erfordern einen wesentlichen Mehraufwand in der Produktion. Aus der US 2008/0295334 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwei Strukturelemente, wie zum Beispiel ein Rahmenelement und eine Haut eines Flugzeugflügels miteinander verbunden werden. Hierbei wird auf das Rahmenelement im Bereich der Stirnfläche eine U-förmige Schiene aufgesetzt, welche sich seitlich ein Stück über die Seitenflächen des Rahmenelementes hinaus erstreckt. Diese Schiene bildet somit eine breite Fläche, welche zum Verbinden mit den zweiten Strukturelementen benutzt wird, wobei die Verbindung durch Verklebung erfolgt.

Aus der WO 2012/091695 A1 geht eine ähnliche Verbindungseinrichtung hervor, welche an einem Strukturbauteil seitlich vorstehende Laschen aufweist, um eine möglichst große Verbindungsfläche zu einem weiteren Strukturbaubauteil bereit zu stellen.

In der US 2004/0051005 A1 ist eine Befestigungseinrichtung zum Befestigung von Metallteilen an der Oberfläche eine Verbundplatte beschrieben. Die Verbindungeinrichtung weist L- und U-förmige faserverstärkte Lagen auf, die ineinandergesetzt und miteinander und mit der Verbundplatte verklebt werden, sodass eine Aufnahme für das Metallteil geschaffen wird.

Weiterhin sind aus der US 2003/0037867 A1 und der DE 10 2005034621 B3 dreidimensional geformte Körper zum Verbinden von Faserverbundteilen bekannt. Aus der US 2005/0064134 A1 gehen eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilen mit einer zackenförmigen Zugverbindung hervor. Diese Zugverbindung umfasst ein Basiselement und ein zackenförmiges Element. Die Zugverbindung wird mit einem plattenförmigen Bauteil verschraubt und/oder verklebt und mit einem Zugband verbunden. Über die Zugverbindung wer- den Zugkräfte aus dem plattenförmigen Bauteil aufgenommen und in das Zugband eingeleitet.

Im Flugzeugbau von kleineren bis mittelgroßen Flugzeugen hat sich jedoch eine Leichtbaustruktur durchgesetzt, bei welcher Strukturwandungen verwendet werden, die aus einer ersten Faser- Außenschicht, einer Zwischenlage und einer zweiten Faser-Außenschicht bestehen, wobei im Bereich der Stirnflächen der Strukturwandungen langgestreckte Faserbänder zwischen den gegenüberliegenden Faser-Außenschichten eingesetzt sind. Die langgestreckten Faserbänder dienen zur Aufnahme von Zugkräften entlang der Längsrichtung der Strukturwandungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Leichtbaustruktur und ein Verfahren zum Herstellen einer Leichtbaustruktur, insbesondere für Luftfahrzeuge, zu schaffen, mit welchen eine sehr stabile, leichte Leichtbaustruktur effizient herstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch eine Leichtbaustruktur und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur weist zumindest eine im Wesentlichen plattenförmige Strukturwandlung und ein Hüllelement auf. Die Strukturwandung und das Hüllelement sind jeweils aus einem Faser-Verbundmaterial ausgebildet. Die Strukturwandung ist aus einer ersten Faser- Außenschicht, einer Zwischenlage und einer zweiten Faser-Außenschicht ausgebildet. Zumindest in einem Teilbereich der Stirnfläche der Strukturwandung ist ein U-förmiges Verbindungsprofil bzw. Verstärkungsprofil angeordnet, das eine Basiswandung und zwei Seitenwandungen aufweist. Die Basiswandung ist an der Stirnfläche der Strukturwandung und die Seitenwandungen des U-förmigen Verbindungsprofils sind an den Außenflächen der ersten und zweiten Faser-Außenschichten anliegend angeordnet und mit den Faser-Au ßenschichten verbunden.

Das Hüllelement weist ein Faserverbundverstärkungsband auf. Im Bereich des Faserverstärkungsbandes sind das Hüllelement und die Strukturwandungen miteinander verbunden, wobei die Strukturwandung mit ihrer Stirnfläche an dem Faserverbundverstärkungsband anliegt. Im Vergleich zu den Eingangs erläuterten Strukturwandungen, in welchen sich über die gesamte Länge der Strukturwandung erstreckende Verstärkungsbänder an den Stirnflächen der Strukturwandung in diese integriert sind, lässt sich die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur wesentlich einfacher und schneller herstellen, da das Faserverbundverstärkungsband flächig auf das Hüllelement auflaminiert werden kann. Dies ist wesentlich einfacher als langgestreckte Fasern zwischen den Faser- Außenschichten der Strukturwandung anzuordnen und zu verkleben.

Das Faserbundverstärkungsband kann grundsätzlich beliebig breit und beliebig stark ausgebildet sein, um entsprechende Zugkräfte aufzunehmen. Die Strukturwandung selbst muss keine Zugkräfte aufnehmen, sondern lediglich das Hüllelement in seiner Position und vorzugsweise zwei gegenüberliegende Hüllelemente auf Abstand zu halten. Das U-förmige Verbindungsprofil dient zum Herstellen einer festen Verbindung zwischen dem Hüllelement und der Strukturwandung. Da in die Strukturwandung nur Kräfte in der Ebene der Strukturwandung eingeleitet werden und der Anteil der Kräfte in Längsrichtung der Strukturwandung gering ist, da die Zugkräfte in Längsrichtung der Strukturwandung vom Faserverbundverstärkungsband aufgenommen werden, genügt zur Verbindung der Strukturwandungen mit dem Hüllelement die Fläche der Basiswandung des U-förmigen Verbindungsprofils. Es sind keine zusätzlich an den Außenflächen der Strukturwandung vorstehenden Verbindungsabschnitte notwendig. Es genügt auch, dass ein oder mehrere U-förmige Verbindungsprofile lediglich abschnitts- weise an der Stirnfläche der Strukturwandung vorgesehen sind.

Die Strukturwandung kann zunächst fast vollständig mit einem automatisch ablaufenden Verfahren hergestellt werden. Vorzugsweise erfolgt das Verbinden der Strukturwandung mit dem Hüllelement, indem das noch nicht ausgehärtete Faserverbundverstärkungsband unter Druck in Kontakt mit der Strukturwandung gebracht wird. Das Faserverbundverstärkungsband besteht aus Verstärkungsfasern, die in einem Matrixmaterial eingebettet sind. Das noch nicht ausgehärtete Matrixmaterial verbindet sich mit der Stirnfläche der Strukturwandung und insbesondere mit den bzw. dem U-förmigen Verbindungsprofil. Es kann jedoch auch zusätzlich Klebemasse eingebracht werden. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn die Strukturwandung sich nicht im rechten Winkel zum Hüllelement befindet, so dass ein keilförmiger Spalt zwischen der Stirnfläche der Strukturwandung und dem Hüllelement ausgefüllt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur sind die Zugkräfte von der Strukturwandlung entkoppelt. Es ist daher auch möglich, mehrere Strukturwandlungen etwas versetzt zueinander auf einem gemeinsamen Faserverbundverstärkungsband anzuordnen, da die Zugkräfte über den Versatz hinweg vom Faserverbundverstärkungsband aufgenommen werden. Dies erlaubt konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten, die bei bisher bekannten Leichtbaustrukturen nicht möglich waren. Das U-förmige Verbindungsprofil ist vorzugsweise aus einem Faserverbundmaterial ausgebildet. Die Faserrichtung dieses Elements verläuft vorzugsweise diagonal zur Längserstreckung des U-förmigen Verbindungsprofils, damit die verbleibenden Zug/Druck-Kräfte vom längsgerichteten Verstärkungsband optimal in die Strukturbauteile eingeleitet werden können. Das Faserverbundverstärkungsband erstreckt sich vorzugsweise parallel zur Strukturwandung über die gesamte Länge (oder auch nur eines Teiles der Länge des Strukturbauteils) bzw. Breite des Hüllelementes.

Das U-förmige Verbindungsprofil kann auch aus zwei L-förmigen Verbindungsprofilen ausgebildet sein, den Bereich der Stirnfläche der Strukturwandung mit jeweils einem Schenkel zur Ausbildung der Basis übereinanderlappen.

Mehrere U-förmige Verbindungsprofile können Abschnittsweise an der Stirnfläche der Strukturwandung angeordnet sein.

Die U-förmigen Verbindungsprofile können mit Abstand zueinander an der Stirnfläche der Strukturwandung angeordnet sein.

Das U-förmige Verbindungsprofil kann im Bereich der Seitenwandung geschlitzt ausgebildet sein, so- dass es im Bereich der Basis biegsam ist. Hierdurch können mit den Stirnflächen der Strukturwandungen beliebige Raumformen und insbesondere Rundungen ausgebildet werden. Da das Faserverbundverstärkungsband vor dem Verbinden mit dem Hüllelement flexibel ist, kann das Faserbundver- stärkungsband, bevor es ausgehärtet ist, grundsätzlich in jede beliebige Form gebracht werden. Die erfindungsgemäße Leichtbaustruktur erlaubt somit eine beliebige Formgebung.

Vorzugsweise werden die Strukturwandungen hergestellt, indem die Zwischenlage mit den beiden Faser-Außenschichten laminiert und ausgehärtet wird und dann in eine gewünschte Form zugeschnitten wird. Es können somit große Platten von Faserverbundmateriai hergestellt werden, aus welchen mehrere Strukturwandungen geschnitten werden. Das Schneiden der Strukturwandungen wird vor- zugsweise mit entsprechenden Schneid- oder Fräsmaschinen vollautomatisch ausgeführt. Die Strukturwandungen können so einfach mit einer beliebigen Kontur bzw. Form hergestellt werden.

Die Strukturwandung wird vorzugsweise hergestellt, indem als Zwischenlage ein Füllmaterial, wie zum Beispiel Schaumstoff, verwendet wird, wobei in das Füllmaterial zumindest ein Loch geschnitten wird, in das ein Verstärkungskörper aus einem Material, das eine höhere Festigkeiten als das Füllmaterial besitzt, eingesetzt wird, und dann das Füllmaterial zusammen mit dem Verstärkungskörper mit den beiden Faser-Außenschichten laminiert und ausgehärtet wird. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung kann auch für andere Leichtbaustrukturen verwendet werden, bei welchen die Strukturwandung nicht mit einem erfindungsgemäßen U-förmigen Verbindungsprofil mit einem Hüllelement verbunden sind. Das Einsetzen von Verstärkungskörper in das Füllmaterial vor dem Laminieren der Faser-Außenschichten stellt somit einen eigenständigen Erfindungsgedanken dar. Das Füllmaterial kann aus einem Schaumstoff, Waben- oder Tubusmaterial oder einem anderen Material sein, das die Querkräfte von einer Faser-Außenschicht zur anderen Faser- Außenschicht übertragen kann und somit die Faser-Außenschicht zuverlässig auf Abstand hält. Als Verstärkungskörper können ein Holzkörper, ein Metallkörper, insbesondere ein Aluminiumkörper, und/ oder ein Faserverbundkörper verwendet werden. Der Faserverbundkörper besteht wiederum aus einem Füllmaterial, das mit Faser-Au ßenschicht umhüllt ist. Die Stärke eines solchen Faserverbundkör- pers entspricht der Stärke des Füllmaterials, sodass es Oberflächenbündig eingebracht werden kann.

Vorzugsweise werden mehrere Strukturwandungen zu einem Gerippe zusammengesetzt. Das Gerippe wird dann mit dem Hüllelement verbunden und zumindest ein Faserverbundverstärkungsband verläuft im Wesentlichen parallel zu einer Strukturwandlung. Die einzelnen Strukturwandungen müssen hierzu nicht fest miteinander verbunden sein. Es genügt eine Steckverbindung oder eine vorläufige Klebeverbindung. Die Ecken der Steckverbindungen können nach dem Fixieren mit vorgefertigten Winkelprofilen verklebt werden. Die Festigkeit der gesamten Leichtbaustruktur wird durch die Verbindung an mehreren Stellen des Hüllelementes mit dem einen und vorzugsweise den mehreren Strukturwandungen erzielt.

Insbesondere ist vorgesehen das Gerippe zusammen mit den darin integrierten mechanischen, hydraulischen, elektronischen und elektrischen Komponenten eines Fahrzeuges, insbesondere eines Flugzeuges bzw. Luftfahrzeuges, auf eine Unterwandung ausbildenden Bereich des Hüllelementes und die darauf angeordneten Faserverbundverstärkungsbänder aufzulegen und danach entsprechend eine Oberwandung ausbildenden Bereich des Hüllelementes und die darauf angeordneten Faserver- bundverstärkungsbänder auf das Gerippe aufzulegen. Anschließend erfolgt dann das Aushärten bzw. Trocknen der Leichtbaustruktur im Bereich der Basiswandungen der U-förmigen Profile, der Verstärkungsbänder sowie der Ober- und Unterwandung des Hüllelementes.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es somit um die Verlagerung der Zug- und Druck-Kräfte von einem auf Biegebelastung ausgelegten Bauteils, wie z.B. eines Tragflächenholms, einer Verstärkungsrippe oder z.B. einen Spant in das Hüllelement. Bei bisherigen Lösungen wurden hierzu Holme erstellt, die an den Randbereichen bei der Produktion einen Gurt aus Fasern Kohlefaser, Glasfaser, udgl. eingelegt wurde. Dieser Gurt musste aus vielen einzelnen Fasersträngen, sogenannte Rovings, händisch eingelegt werden. Der Nachteil dieser Konstruktion ist neben dem hohen Arbeitsaufwand, dass man eine bestimmte Gurthöhe erreichen muss, um die Schubkräfte auf die seitliche Kohlefaserbeschichtung übertragen zu können. Aufgrund dieser Fertigungsweise muss jedes einzelne Teil aufwändig per Hand in Formen gefertigt werden.

Zudem hat diese Bauart den Nachteil, dass alle Kräfte in die Holme eingeleitet werden müssen und die Verbindung zur Schale nur in einem schmalen Bereich erfolgt, weshalb in diesem Bereich das Stützmaterial herausgenommen werden muss und dieser Bereich mit einer zusätzlichen Verstärkung ausgeführt werden muss. Dies bedingt auch in der Schalenkonstruktion einen erheblichen Mehraufwand.

Der wesentlichste Punkt der vorliegenden Erfindung ist die Verlagerung der Zug- und Druckkräfte vom Holm-Randbereich bzw. von der Strukturwandung in die Schale bzw. das Hüllelement.

D.h. die Strukturwandung kann aus einem Sandwich-Plattenmaterial mit einer CNC-Fräse sehr zeit- und kostensparend herausgefräst werden. Die Strukturwandung überträgt im Wesentlichen nur noch die Schubkräfte von Ober- zu Unterseite und nimmt geringe Scherkräfte auf. Die Strukturwandung nimmt im Gegensatz zum Stand der Technik aber nahezu keine Zug- und Druckkräfte der Biegebelas- tung mehr auf.

Die Zug- und Druckkräfte werden von dem Faserverbundverstärkungsband aufgenommen, das auf die Innenlage der Tragfläche bzw. des Hüllelementes laminiert wird. Durch die nun wesentlich größere Breite des Gurtbandes ist eine direkte Krafteinleitung auf das Hüllelement möglich. Das Hüllelement kann daher ohne Unterbrechung durchlaufen.

Um exponierte Bereiche zu verstärken, in denen kein Faserverbundverstärkungsband in das Hüllele- ment eingelegt werden muss, ist vorgesehen ein Faserverbundverstärkungsband im Bereich zwischen der Stirnfläche der Strukturwandung und insbesondere zwischen der Stirnfläche und der Basiswandung des Verbindungsprofils anzuordnen.

Auch hier kann der Holm bzw. die Rippe aus einem Sandwich-Plattenmaterial gefräst werden. Hier werden die Zug- und Druckkräfte von einem Zug-Druck-Band aufgenommen, allerdings liegt dieses innerhalb des U-Profiles. Dieses Band kann beim Verkleben des U-Profils auf das ausgefräste Bauteil eingebracht werden. Hierzu kann als Nasslaminat in das U-Profil gelegt werden. Eine Variante ist aber auch, dass aus einer Platte mit längsgerichteten Fasern Streifen geschnitten werden, die beim Aufkleben des U-Profiles zwischen dem U-Profil und der Platten-Stirnkante eingeklebt werden.

Eine solche Strukturwandung kann an Stellen in einer Leichtbaustruktur angeordnet werden, an welcher kein Faserverbundverstärkungsband am Hüllelement vorgesehen ist oder bei denen die Strukturwandung nicht an einem Hüllelement anliegt. Dieses Verfahren bietet auch die Möglichkeit, dass auch gekrümmte Kanten auf diese Weise ausgeführt werden können. Das Zug-Druck-Band ist hier relativ dünn oder in mehreren dünneren Lagen ausgeführt, das U-Profil wird an den Seitenkanten gerade oder V-förmig eingeschnitten. Hierdurch kann das U-Profil um Radien gelegt werden. Durch die dünne Ausführung des vorgefertigten Zug- Druck-Bandes, dann dieses um die Radien gelegt werden. Bei kleiner werdenden Radien kann das Band auch als Nasslaminat eingelegt werden.

Dadurch, dass die Zug-Druck-Belastung durch das eingelegte Band aufgenommen wird, kann das U- Profil auch bei freiliegendem Ende des Bauteils an den Seiten eingeschnitten werden. Hierdurch eignet sich diese Konstruktion zur Abschlussverstärkung bei Rumpfspanten udgl., die Rundungen an den Rändern aufweisen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in: Figur 1 eine ausschnittsweise seitlich geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur:

Figur 2 ein Hüllelement der Leichtbaustruktur;

Figur 3 eine ausschnittsweise seitlich geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur;

Figur 4 ein zentraler Tragflächenabschnitt eines Flugzeuges in einer perspektivischen Ansicht;

Figur 5 ein seitlicher Tragflächenabschnitt eines Flugzeuges in einer perspektivischen Ansich;

Figur 6 ein Ausführungsbeispiel einer plattenförmigen Strukturwandung einer Leichtbaustruktur in einer perspektivischen Ansicht,

Figur 7 den seitlichen Tragflächenabschnitt aus Figur 5 mit einem Faserverstärkungsband in einer perspektivischen Ansicht;

Figur 8 eine Detailansicht aus Figur 7 an einem Übergang von einer Strukturwandung auf eine andere Strukturwandung mit Versatz;

Figur 9 ein Ausschnitt aus Figur 7 mit Faserverbundverstärkungsband oberseitig und unterseitig auf der Leichtbaustruktur aufgebracht; und

Figur 10 eine weitere Detailansicht aus Figur 7.

Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Leichtbaustruktur 8 beschrieben (Figuren 1 bis 10). Diese Leichtbaustruktur 8 umfasst zumindest ein Verstärkungsbauteil bzw. eine plattenförmige Strukturwandung 4 und zumindest ein Hüllelement 1 (Figuren 1 und 2).

Die plattenförmige Strukturwandung 4 ist aus einer ersten Faser-Außenschicht 4b, einer Zwischenlage 4a und einer zweiten Faser-Außenschicht 4c ausgebildet. An einer Stirnfläche 6 der plattenförmigen Strukturwandung 4 ist ein U-förmiges Verstärkungs- bzw. Verbindungsprofil 5 angeordnet.

Das U-förmige Verbindungsprofil 5 weist eine Basiswandung 9, und zwei Seitenwandungen 10 auf.

Vorzugsweise ist das U-förmige Verbindungsprofil 5 derart ausgebildet, dass die beiden Seitenwandungen gegenüber der Basiswandung 9 unter einem vorbestimmten Winkel von in etwa 2° bzw. 5° bzw. 10° zueinander geneigt sind. Auf diese Weise hat das U-förmige Verbindungsprofil 5 eine gewisse Vorspannung mittels der das Verbindungsprofil 5 nach dem Aufbringen von selbst seine Position auf der Strukturwandung 4 hält. Somit sind keine Klemmen beim Aufbringen des Verbindungsprofils 5 auf und zum Verbinden mit der Strukturwandung 4 notwendig. Der Kraftfluss verläuft von dem Hüllelement 1 über die Basiswandung 9 und über die Seitenwandungen 10 in die Faser-Außenschichten 4b, 4c. Das U-förmige Verbin- dungsprofil 5 weist diagonal zu seiner Längserstreckung verlaufende Verstärkungsfasern auf. Diese führen zu einer optimalen Kraftüberleitung von Scherkräften auf die Strukturwandung.

Das Verbindungsprofil 5 wird derart in einem Teilbereich der Stirnfläche 6 der Strukturwandung 4 angeordnet, dass die Basiswandung 9 und die Seitenwandungen 10 entsprechend an der Stirnfläche 6 bzw. an der Zwischenlage 4a, der ersten Faser-Außenschicht 4b und der zweiten Faser-Außenschicht 4c anliegen und an diesen mittels einer Klebeverbindung fixiert werden.

Das Hüllenelement bzw. Hüllelement 1 ist ebenfalls aus einer ersten Faser-Außenschicht 1 b, einer Zwischenlage 1 a und einer zweiten Faser-Außenschicht 1 c ausgebildet.

Weiterhin ist in einem Bereich in dem das Hüllelement 1 mit der Strukturwandung verbunden wird ein Verstärkungsband bzw. ein Faserverbundverstärkungsband 2 angeordnet. Das Faserverbundverstär- kungsband 2 ist vorzugsweise aus einem Kohlefaserverbund ausgebildet. Im Bereich des Faserverbundverstärkungsbandes 2 ist die Strukturwandung bzw. das darauf angeordnete U-förmige Verbindungsprofil 5 mit dem Faserverbundverstärkungsband 2 verbunden.

Vorzugsweise ist das Faserverbundverstärkungsband 2 doppelt bzw. drei- bzw. vier- bzw. fünf bzw. sechsmal breiter als die Basiswandung 9 des U-förmigen Verbindungsprofils 5. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur 8 kann zusätzlich, insbesondere aber alternativ ein Faserriemen 7, dessen Aufbau ähnlich dem Faserverbundverstär- kungsband 2 ist, im Bereich zwischen der Stirnfläche 6 der Strukturwandung 4 und der Basiswandung 9 des Verbindungsprofils 5 vorgesehen sein (Figur 3). Eine Strukturwandung 4 mit einem solchen Faserriemen 7 kann in Bereichen der Leichtbaustruktur 8 vorgesehen werden, in welchen kein Faserverstärkungsband angeordnet ist und trotzdem eine gewisse Zugstabilität bereitstellen.

Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen und Vorteile der erfindungsgemäßen Leichtbau- struktur 8 anhand eines zentralen Tragflächenabschnittes 1 1 und eines seitlichen Tragflächenabschnittes 12 erläutert. Die Tragflächenabschnitte 1 1 , 12 umfassen ein Gerippe 13, das aus miteinander verbundenen Strukturwandungen 4 ausgebildet ist.

Das Gerippe 13 des zentralen Tragflächenabschnittes 1 1 ist aus vier quer zur Flugrichtung verlaufen- den Querholmen 14, die über mehrere in Flugzeuglängsrichtung verlaufende Längsholme 15 miteinander verbunden sind ausgebildet (Figur 4).

Die Längsholme 15 sind derart ausgebildet, dass an ihren mit den Querholmen 14 zu verbindenden Enden Verstärkungskörper aus Holz eingesetzt sind. Die Verstärkungskörper 16 sind mit zapfenförmi- gen Verbindungselementen 17 ausgebildet.

Entsprechend sind in den Querholmen 14 ebenfalls Verstärkungskörper 16 aus Holz eingesetzt, die entsprechende Ausnehmungen 18 zum Aufnehmen der Verbindungselemente 17 der Längsholme aufweisen.

In den Übergängen von den Querholmen 14 zu den Längsholmen 15 sind zur Fixierung der Verbindungselemente 17 in den Ausnehmungen 18 Winkelprofile 21 angeordnet (Fig. 6).

In die Strukturwandungen 4 und/oder die Verstärkungskörper 16 können weitere Funktions- und/oder Verstärkungskörper, wie zum Beispiel Metallbuchsen, eingesetzt werden.

In Randbereichen des zentralen Tragflächenabschnittes 1 1 können als Verstärkungskörper 16 in den Querholmen 14 und den Längsholmen 15 Metallkörper aus Aluminium eingebettet sein. Das Gerippe 13 des seitlichen Tragflächenabschnittes 12 ist aus zwei quer zur Flugrichtung verlaufenden Querholmen 14, die über mehrere in Flugzeuglängsrichtung verlaufende Längsholme 15 miteinander verbunden sind ausgebildet (Figur 5). Die Längsholme 15 sind derart ausgebildet, dass an ihren mit den Querholmen 14 zu verbindenden Enden Verstärkungskörper aus Holz eingesetzt sind. Die Verstärkungskörper 16 sind als zapfenförmi- ge Verbindungselemente 17 ausgebildet.

Im Folgenden wird beispielhaft eine Strukturwandung 4 des zentralen und des seitlichen Tragflächenabschnittes 1 1 , 12 beschrieben (Fig. 6), auf deren Stirnfläche 6 abschnittsweise Verbindungsprofile 5 aufgebracht sind. Zum Anordnen der Verbindungsprofile auf der Strukturwandung 4 sind in den Stirnflächen 6 der Strukturwandung 4 Aufnahmeausnehmungen 22 ausgebildet. Weiterhin sind an einer Stirnfläche 6 der Strukturwandung die Winkelprofile 21 zum Verbinden der Strukturwandung 4 mit einer weiteren Strukturwandung 4 dargestellt. Die Winkelprofile 21 sind mit den jeweils angrenzenden Strukturwandungen 4 verklebt. Die Winkelprofile sind vorzugsweise aus einem faserverstärkten Ver- bundmaterial ausgebildet.

Im Folgenden wird ein Verbindungsbereich des seitlichen Tragflächenabschnittes 12 näher beschrieben (Figur 5). In den seitlichen Tragflächenabschnitt 12 sind Landeklappe 19 und ein Querruder 23, sowie ein entsprechender Betätigungsmechanismus 20 integriert.

In den Bereichen, in denen die Landeklappe 19 mit den Querholmen 14 verbunden ist, weisen die Querholme 14 entsprechende Verstärkungskörper 16 aus Holz, Kunststoff oder Metall auf.

Am seitlichen Tragflächenabschnitt 12 ist das Querruder 23 an weiteren Querholmen 14 auf die gleiche Weise befestigt, wobei diese weiteren Querholme 14 mit Versatz zum vorstehend beschriebenen Querholm 14 angeordnet sind, an dem die Landeklappe 19 gelenkig befestigt ist. Zur Aufnahme des Betätigungsmechanismus 20 für die Landeklappen 19 ist ein Endbereich dieses Querholmes 14 mit einem Verstärkungskörper 16 aus Metall versehen.

Ober- und unterseitig sind, in den Bereichen wo es notwendig ist, auf die Längs- und die Querholme, insbesondere auf den darauf angeordneten U-förmigen Verbindungsprofilen 5 die Faserverbundver- stärkungsbänder 2 angeordnet (Figuren 7 bis 10).

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Faserverbundverstärkungsbänder 2 entlang aller Querholme 14 (Fig. 7 und 8 zeigen beispielhaft jeweils nur ein Faserverbundverstärkungsband) angeordnet und entlang der Längsholme 15 sind in den randseitig angeordneten Längsholmen 15 und in einzelnen stark belasteten Strukturwandungen 4 Faserverbundverstärkungsbänder 2 vorgesehen.

Diese Faserverbundverstärkungsbänder 2 sind an einer unteren Halbschale des Hüllelements 1 angeordnet und sind entsprechend über eine Klebeverbindung mit den oberen und unteren Stirnflächen 6 der Querholme 14 bzw. den darauf angeordneten Verbindungsprofilen 4 verbunden. An Stelle einer Klebeverbindung kann die Verbindung zwischen den Verbindungsprofilen und den Faserverbundver- stärkungsbändern auch durch das Harz eines Faserverbundverstärkungsbandes hergestellt werden, mit dem die Verbindungsprofile in Kontakt gebracht werden, solange das Faserverbundverlänge- rungsband noch nicht ausgehärtet ist. Wenn das Laminat des Faserverbundbandes beim Verkleben mit dem Strukturelement bereits ausgehärtet ist, ist dieses für die Verklebung mit dem Strukturelement entsprechend vorzubehandeln.

Das Faserverbundverstärkungsband 2 wird zunächst auf die Innenseite des Hüllelements 1 laminiert, weshalb dieses nicht nur gerade sondern auch gebogen verlaufen kann (Figuren 7 und 8). Das Faser- verbundverstärkungsband 2 muss nicht genau parallel zur Strukturwandung 4 angeordnet werden, da die Verklebung vorzugsweise nur über das Verstärkungsprofil 4 erfolgt. Zudem kann das Faserverstärkungsband über mehrere Strukturwandungen ohne Unterbrechung durchlaufen

Das Faserverbundverstärkungsband 2 kann über kleinere Bereiche außerhalb der Strukturwandun- gen 4 verlaufen (Figuren 8 bis 10).

Das Faserverbundverstärkungsband 2 kann über das Ende der Strukturwandungen 4 hinausragen (Figuren 9 und 10). Das Faserverbundverstärkungsband 2 kann der gekrümmten Kontur des Hüllelementes 1 folgen (Figur 7).

Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer Leichtbaustruktur be- schrieben.

Die Strukturwandung 4 der erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur 8 wird fast vollständig mit einem automatisch ablaufenden Verfahren hergestellt. Hierbei ist vorgesehen, dass zunächst als Zwischenlage 4a ein Füllmaterial, wie z. B. Schaumstoff, verwendet wird. Diese Zwischenlage 1 a liegt zunächst in plattenförmiger Form vor.

Wenn die Strukturwandung 4 später Verstärkungskörper 16 aufweisen soll, wird in das Füllmaterial 4a zumindest ein Loch oder eine Ausnehmung geschnitten, gebohrt oder gefräst. Anschließend wird in das Loch ein Verstärkungskörper 16 aus Holz, wie z. B. Birkensperrholz oder Pappelsperrholz einge- setzt. Zudem kann vorgesehen sein, dass in die Zwischenlage 4a oder in den oder die Verstärkungskörper 16 weitere Körper, wie z. B. eine Metallbuchse aus Aluminium, eingesetzt werden sollen. Hierfür wird bereits bei der Herstellung des Verstärkungskörpers eine Ausnehmung erstellt, z.B. gebohrt oder gefräst, und der Einsatz aus Metall in die Ausnehmung eingebracht und verklebt Ein Beispiel in dem in die Strukturwandung ein Bauteil aus Pappelsperrholz 24 und in dieses ein Bauteil aus Birkensperrholz 25 und in dieses wiederum Buchsen aus Aluminium 26 eingesetzt sind ist in Figur 8 dargestellt.

Anschließend wird die Zwischenlage 4a mit der ersten Faser-Außenschicht 4b und mit der zweiten Faser-Außenschicht 4c laminiert und ausgehärtet.

Im nächsten Produktionsschritt werden zuerst Ausnehmungen, Löcher, usw. in der Platte erstellt. Als Abschluss werden aus diesem Rohling eine oder mehrere Strukturwandungen 4 in der gewünschten Form herausgeschnitten.

Die einzelnen Halbzeuge (Zwischenlage, Verstärkungselement) und Zwischenprodukte (Strukturwandung) werden bei den einzelnen Bearbeitungsschritten mittels Handhabungseinrichtungen automatisch bewegt, eingesetzt und dann weiter verarbeitet. Dann werden ein oder mehrere Verbindungsprofile 4 auf die Strukturwandung 4 aufgeklebt. Mit diesem Arbeitsschritt ist die Strukturwandung fertig

Das Hüllelement 1 bzw. eine untere Wandung des Hüllelements 1 werden aus einem Faserverbund ausgebildet. Zum Ausbilden dieses Faserverbundes ist eine erste Form vorgesehen. Im fertigen Zustand der Leichtbaustruktur ist vorgesehen, dass die Fasern im Hüllelement 1 vorzugsweise diagonal zu der Stirnfläche 6 der Strukturwandungen 4 verlaufen.

Anschließend wird in den Bereichen, in denen es notwendig ist bzw. in denen die Strukturwandung 4 eingesetzt wird, das Faserverbundverstärkungsband 2 eingebracht. Das Faserverbundverstärkungs- band 2 besteht aus Verstärkungsfasern, die in einem Matrixmaterial eingebettet sind.

Das Verbinden der Strukturwandung 4 mit dem Hüllelement 1 erfolgt, indem auf das noch nicht ausgehärtete Faserverbundverstärkungsband unter Druck die Strukturwandung aufgebracht wird.

Das noch nicht ausgehärtete Matrixmaterial verbindet sich mit der Stirnfläche der Strukturwandung und insbesondere mit den U-förmigen Verstärkungsprofilen bzw. dem U-förmigen Verstärkungsprofil.

Anschließend wird eine obere Wandung des Hüllelements 1 mit dem darauf angeordneten Verstär- kungsband und zusammen mit ihrer Form auf die untere Wandung und die Strukturwandung(en) aufgesetzt.

Insbesondere ist vorgesehen, dass mehrere Strukturwandungen zu einem Gerippe zusammengesetzt werden, wobei dann das Gerippe mit einer unteren Halbschale des Hüllelements verbunden wird. An- schließend wird eine obere Halbschale des Hüllelements aufgesetzt und die gesamte Leichtbaustruktur 8 härtet aus. Dies erfolgt vorzugsweise in zwei aufeinander angeordneten Formen.

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die Strukturwandungen aus Plattenmaterial geschnitten werden können. Die Verbindungsprofile werden danach auf die Strukturwandungen geklebt.

Auf die Innenseite der Wandung bzw. der Schale des Hüllelements wird das Faserverbundverstärkungsband laminiert. Die Strukturwandungen werden dann mit der Stirnseite des Verbindungsprofils, vorzugsweise auf das noch nicht ausgehärtete Verstärkungsband, geklebt (Fig.1 ). Es kann auch vorgesehen sein, dass auf die Stirnseite der Strukturwandung der Faserriemen 7 aufgeklebt und anschließend das Verbindungsprofil darüber geklebt wird oder es wird zunächst der Faserriemen 7 in das Verbindungsprofil geklebt und dieses zusammen mit dem Verbindungsprofil auf die Stirnseite der Strukturwandung geklebt. Dieses derart stirnseitig abgeschlossene und (zug/druck- Verstärkte Strukturwandung kann dann mit einer weiteren Strukturwandung oder mit dem Hüllelement verklebt werden. Eine Strukturwandung 4 mit Faserriemen 7 wird vorzugsweise bei exponierten Positionen, welche nicht von einem Faserverstärkungsband abgedeckt werden, vorgesehen. Der Faserriemen 7 kann vollständig vom U-förmigen Verbindungsprofil 5 oder auch nur bereichsweise und insbesondere an den Endbereichen des Faserriemens 7 abgedeckt sein. Das Anbringen derartiger Fa- serriemen ist sehr einfach und lässt sich schnell ausführen. Durch das Vorsehen der U-förmigen Verbindungsprofile 5 kann ein solcher Faserriemen bei der Montage fixiert werden und es ist eine gute Krafteinleitung in den Körper der Strukturwandung sichergestellt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen eine Flugzeugbaugruppe (Baugruppe für Luftsportgeräte, Flugzeuge und andere Luftfahrzeuge), d.h. ein Bauteil für ein Flugzeug, Luftsportgerät, und andere Luftfahrzeuge, wie z.B. einem Helikopter, insbesondere einen Rumpf, eine Tragfläche, ein Seiten-, Höhen-, Querruder, eine Landeklappe oder ein Leitwerk aus einer erfindungsgemäßen Leichtbaustruktur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellen.

Bezuqszeichenliste:

1 Hüllelement

1 a Zwischenlage

1 b erste Faser-Außenschicht

1 c zweite Faser-Außenschicht

2 Faserverbundverstärkungsband

3 Klebeschicht

4 piattenförmige Strukturwandung

4a Zwischenlage

4b erste Faser-Außenschicht

4c zweite Faser-Außenschicht

5 Verbindungsprofil

6 Stirnfläche

7 Faserriemen

8 Leichtbaustruktur

9 Basiswandung

10 Seitenwandung

1 1 zentraler Tragflächenabschnitt

12 seitlicher Tragflächenabschnitt

13 Gerippe

14 Querholme

15 Längsholme

16 Verstärkungskörper

17 Verbindungselement

18 Ausnehmung

19 Landeklappe

20 Betätigungsmechanismus

21 Winkelprofil

22 Aufnahmeausnehmung

23 Querruder

24 Bauteil aus Pappelsperrholz

25 Bauteil aus Birkensperrholz

26 Aluminiumbuchse

Claims

Patentansprüche

1 . Leichtbaustruktur, insbesondere für Luftfahrzeuge, mit einer im Wesentlichen plattenförmigen Strukturwandung und einem Hüllelement, die jeweils aus einem Faser-Verbundmaterial ausgebildet sind, wobei die Strukturwandung aus einer ersten Faser-Außenschicht, einer Zwischenlage und einer zweiten Faser-Außenschicht ausgebildet ist und zumindest in einem Teilbereich der Stirnfläche der Struk- turwandung ein U-förmiges Verbindungsprofil angeordnet ist, das eine Basiswandung und zwei Seitenwandungen aufweist, wobei die Basiswandung an der Stirnfläche der Strukturwandung und die Seitenwandungen des U-förmigen Verbindungsprofils an den Außenflächen der ersten und zweiten Faser-Außenschichten anliegen und mit diesen verbunden sind, und

das Hüllelement ein Faserverbundverstärkungsband aufweist, wobei im Bereich des Faserverbund- verstärkungsbandes die Strukturwandung mit ihrer Stirnfläche anliegt und mit diesem verbunden ist.

2. Leichtbaustruktur nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet

dass das Faserverbundverstärkungsband und die Strukturwandung im Bereich des zumindest einen U-förmigen Verbindungsprofils verbunden sind.

3. Leichtbaustruktur nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet

dass das Faserverbundverstärkungsband breiter als die Basis des U-förmigen Verbindungsprofils ist.

4. Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet

dass sich das Faserverbundverstärkungsband parallel zur Strukturwandung über die gesamte Länge bzw. Breite des Hüllelementes erstreckt.

5. Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet

dass das U-förmige Verbindungsprofil aus zwei L-förmigen Verbindungsprofilen ausgebildet ist, die im Bereich der Stirnfläche der Strukturwandung mit jeweils einem Schenkel zur Ausbildung der Basis übereinanderlappen.

6. Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet

dass die mehrere U-förmige Verbindungsprofile abschnittsweise an der Stirnfläche der Strukturwandung angeordnet sind.

7. Leichtbaustruktur nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet

dass die U-förmigen Verbindungsprofile mit Abstand zueinander an der Stirnfläche der Strukturwandung angeordnet sind.

8. Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet

dass das U-förmige Verbindungsprofil im Bereich der Seitenwandungen geschlitzt ist, so dass es im Bereich der Basis biegsam ist.

9. Verfahren zum Herstellen einer Leichtbaustruktur, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet

dass eine Strukturwandung aus einer ersten Faser-Außenschicht, einer Zwischenlage und einer zweiten Faser-Au ßenschicht ausgebildet wird und zumindest in einem Teilbereich der Stirnfläche der Strukturwandung ein U-förmiges Verbindungsprofil angeordnet und mit den Faser-Außenschichten verbunden wird, und

ein Hüllelement mit einem Faserverbundverstärkungsband versehen wird, und dann die Strukturwan- dung mit ihrer Stirnfläche im Bereich des U-förmigen Verbindungsprofils mit dem Faserverbundverstärkungsband verbunden wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet dass die Strukturwandung hergestellt wird, indem die Zwischenlage mit den beiden Faser- Außenschichten laminiert und ausgehärtet wird und dann in eine gewünschte Form zugeschnitten wird.

1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,

dadurch gekennzeichnet

dass die Strukturwandung hergestellt wird, indem als Zwischenlage ein Füllmaterial, wie z.B. Schaumstoff, verwendet wird, wobei in das Füllmaterial zumindest ein Loch geschnitten wird, in das ein Verstärkungskörper aus einem Material, das härter als das Füllmaterial ist eingesetzt wird, und dann das Füllmaterial zusammen mit dem Verstärkungskörper mit den beiden Faser-Außenschichten laminiert und ausgehärtet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet

dass in die ausgehärtete Strukturwandung im Bereich des Verstärkungskörpers ein Loch gebohrt bzw. gefräst wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12,

dadurch gekennzeichnet

dass als Verstärkungskörper ein Holzkörper, ein Metallkörper und/oder ein Faserverbundkörper verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13,

dadurch gekennzeichnet

dass mehrere Strukturwandungen zu einem Gerippe zusammengesetzt werden, wobei dann das Gerippe mit dem Hüllelement verbunden wird und zumindest parallel zu einer Strukturwandung ein Fa- serverbundverstärkungsband an der Umhüllung vorgesehen ist.

15. Flugzeugbaugruppe,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Flugzeugbaugruppe als Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet oder nach einem Verfahren der Ansprüche 9 bis 14 hergestellt ist.