DE102013225707A1

DE102013225707A1 - Verfahren zur Herstellung eines mit Stützelementen verstärkten Schalenelements

Info

Publication number: DE102013225707A1
Application number: DE102013225707.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd Räckers; Martin Gerber
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-06-18
Also published as: EP2889123B1; US10023287B2; EP2889123A1; US20150166168A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Verfahren zur Herstellung eines mit Stützelementen (1, 3) verstärkten Schalenelements (5) mit den folgenden Schritten: (a) Bereitstellen eines Hautelements (7) mit einer äußeren Oberfläche (9) und einer der äußeren Oberfläche (9) gegenüber liegenden inneren Oberfläche (11), (b) Bereitstellen eines ersten Stützelements (1), das eine Befestigungsseite (15) und eine der Befestigungsseite (15) gegenüber liegende freie Seite (17) aufweist, (c) Befestigen des ersten Stützelements (1) an dem Hautelement (7) derart, dass die Befestigungsseite (15) des ersten Stützelements (1) zu der inneren Oberfläche (11) des Hautelements (7) weist, (d) Einbringen einer ersten Aussparung (25) in das erste Stützelement (1), die ausgehend von der freien Seite (17) des ersten Stützelements (1) und quer zu der ersten Achse (13) verläuft, (e) Bereitstellen eines zweiten Stützelements (3), das eine Stützseite (35) und eine der Stützseite (35) gegenüber liegende Stirnseite (37) aufweist, (f) Einführen des zweiten Stützelements (3) in die erste Aussparung (25) des ersten Stützelements (1) derart, dass die Stützseite (35) zu der inneren Oberfläche (11) des Hautelements (7) weist, und (g) Befestigen des zweiten Stützelements (3) an dem ersten Stützelement (1) und/oder an dem Hautelement (7).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit Stützelementen verstärkten Schalenelements, insbesondere eines Flugzeugstrukturelements. Ein solches Flugzeugstrukturelement kann beispielsweise ein Flugzeugrumpfschalenteil, ein Teil der Flügeloberschale oder Flügelunterschale sowie ein Teil einer Leitwerksschale sein. Weitere denkbare Anwendungen betreffen den Raumfahrtbereich, wie beispielsweise Strukturteile von Satelliten oder Raumfähren. Auch der Einsatz eines solchen Schalenelements als Strukturteil eines Hubschraubers ist denkbar.
Aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der U.S. 7,897,095 B2 , ist es bekannt, mit Stützelementen verstärkte Schalenelemente aus CFK-Material derart herzustellen, dass zunächst ein bereits ausgehärtetes Hautelement bereitgestellt wird, wonach anschließend in einer Längsrichtung parallel zueinander mehrere Stützelemente in Form von Stringer-Elementen auf das Hautelement aufgesetzt werden und anschließend mit Hilfe von Prepreg-Lagen, die beidseitig in der Form von Stützwinkeln an den Seitenflächen der Stützelemente und an der inneren Oberfläche des Hautelements angelegt und anschließend mit Hilfe eines von außen aufgebrachten Drucks und einer bestimmten Temperatur ausgehärtet werden, so dass die Stützelemente in ihrer Position auf dem Hautelement fixiert werden.
Auf diese Weise ist es bisher jedoch nur möglich, die Stützelemente in einer Längsrichtung, d. h. parallel zueinander, an dem Hautelement anzubringen. In vielen Anwendungen ist es jedoch erforderlich, dass das Hautelement des Schalenelements in beiden Flächenrichtungen des Hautelements, d. h. auch in einer Querrichtung, senkrecht zu den in Längsrichtung verlaufenden Stützelementen eine Versteifung aufweist. Um zusätzlich zu den in Längsrichtung verlaufenden Stützelementen auch in Querrichtung verlaufende Stützelemente vorzusehen, müsste eine Lösung gefunden werden, wie sich die in Längs- und Querrichtung verlaufenden Stützelemente kreuzen können, ohne dass im Bereich der Kreuzung die Struktur geschwächt, d. h. die Kraftübertragung weitgehend unterbrochen, würde.
Dazu ist im Stand der Technik beispielsweise bekannt, quaderförmige oder kastenförmige Abstandshalter vorzusehen, die rasterförmig parallel zueinander auf dem Hautelement angeordnet werden, wonach zwischen den Abstandshaltern Stützelemente angeordnet werden, die wiederum mit Prepreg-Lagen verbunden und danach ausgehärtet werden. Nach dem Aushärten können die Abstandshalter entfernt werden, und man erhält eine wabenförmige Struktur mit sich kreuzenden Stützelementen an der inneren Oberfläche des Hautelements.
Ein solches Verfahren ist jedoch schon deshalb nachteilhaft, weil es sehr mühsam und zeitaufwendig ist, die Abstandshalter an dem Hautelement auf festgelegte Weise präzise anzuordnen und die Stützelemente zwischen diesen Abstandshaltern anzuordnen und zu verbinden.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines mit Stützelementen verstärkten Schalenelements bereitzustellen, wobei auch quer zueinander verlaufende, sich kreuzende Stützelemente an der inneren Oberfläche des Hautelements schnell, ohne größeren Aufwand und ohne dass dadurch die Struktur geschwächt oder die Kraftübertragung in einer Richtung unterbrochen wäre, vorgesehen werden können.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines mit Stützelementen verstärkten Schalenelements gelöst, das die nachfolgend genannten Schritte aufweist.
Zunächst wird ein Hautelement mit einer äußeren Oberfläche und einer der äußeren Oberfläche gegenüber liegenden inneren Oberfläche bereitgestellt (Schritt (a)). Unter Hautelement wird hier eine flächige Struktur mit einer wesentlich größeren Ausdehnung in einer Ebene parallel zu der äußeren und inneren Oberfläche als senkrecht zu dieser Ebene, wie beispielsweise die Außenhaut einer Flugzeugstruktur, verstanden. Das Hautelement ist vorzugsweise aus CFK-Material gebildet.
Nachfolgend wird ein erstes Stützelement bereitgestellt, das sich, insbesondere länglich, entlang einer ersten Achse erstreckt und das parallel zu der ersten Achse eine Befestigungsseite und eine der Befestigungsseite gegenüberliegende freie Seite aufweist (Schritt (b)). Ein solches Stützelement weist vorzugsweise eine wesentlich größere Ausdehnung in einer Richtung parallel zu der ersten Achse, entlang derer es sich erstreckt, und in einer Richtung von der Befestigungsseite zur freien Seite hin auf als in einer Dickenrichtung senkrecht zu diesen beiden zuvor genannten Richtungen. Vorzugsweise handelt es sich um ein Stringer-Element oder ein vergleichbares Strukturelement zur Versteifung der Außenhaut einer Flugzeugstruktur. Das erste Stützelement ist vorzugsweise aus CFK-Material gebildet.
Als nächster Schritt wird das erste Stützelement an dem Hautelement derart befestigt, dass die Befestigungsseite des ersten Stützelements zu der inneren Oberfläche des Hautelements weist (Schritt (c)). Dabei liegt die Befestigungsseite des ersten Stützelements vorzugsweise an der inneren Oberfläche des Hautelements an, um auf diese Weise Lasten von dem Hautelement aufzunehmen.
Anschließend wird eine erste Aussparung, vorzugsweise in Form eines Schlitzes, in das erste Stützelement eingebracht, die ausgehend von der freien Seite des ersten Stützelements und quer zu der ersten Achse verläuft (Schritt (d)). Das Einbringen der ersten Aussparung und das Befestigens des ersten Stützelements an dem Hautelement kann auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen, d. h. Schritt (c) und (d) können vertauscht werden.
In dem darauffolgenden Schritt wird ein zweites Stützelement bereitgestellt, das sich, vorzugsweise länglich, entlang einer zweiten Achse erstreckt und das eine Stützseite und eine der Stützseite gegenüberliegende Stirnseite aufweist (Schritt (e)). Das zweite Stützelement ist dabei vorzugsweise, insbesondere bezüglich seiner Geometrie, analog dem ersten Stützelement ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich um ein Stringer-Element oder ein vergleichbares Versteifungselement einer Flugzeugstruktur. Das zweite Stützelement ist vorzugsweise aus CFK-Material gebildet.
Anschließend wird das zweite Stützelement derart in die erste Aussparung des ersten Stützelements eingeführt, dass die Stützseite zu der inneren Oberfläche des Hautelements weist und dass die zweite Achse des zweiten Stützelements quer zur ersten Achse des ersten Stützelements verläuft (Schritt (f)). Dabei entspricht vorzugsweise die Breite der ersten Aussparung der Breite des zweiten Stützelements, wobei jedoch ein geringes Spiel zugelassen werden kann. Die Stützseite liegt vorzugsweise nach dem Einführen des Stützelements in die erste Aussparung an der inneren Oberfläche des Hautelements an, so dass das zweite Stützelement Lasten von dem Hautelement aufnehmen kann. Die Anordnung des ersten und zweiten Stützelements quer zueinander bzw. derart, dass die erste und zweite Achse quer zueinander verlaufen, ist so zu verstehen, dass auch Abweichungen von einem 90°-Winkel zwischen den beiden Achsen umfasst sein sollen und quer daher eher grob, d.h. weit gefasst, zu verstehen ist.
Schließlich wird das zweite Stützelement an dem ersten Stützelement und/oder an dem Hautelement befestigt (Schritt (g)). Die Befestigung des zweiten Stützelements kann somit an dem ersten Stützelement und zusätzlich oder alternativ an dem Hautelement erfolgen.
Mit einem Verfahren, das die zuvor genannten Schritte aufweist, können somit in vergleichsweise einfacher und schneller Weise quer zueinander verlaufende, sich kreuzende Stützelemente an der inneren Oberfläche eines Hautelements angebracht werden, wobei keine Kraftunterbrechung in einer der beiden Erstreckungsrichtungen der Stützelemente auftritt und das Schalenelement somit in beiden Richtungen gleich bzw. nahezu gleich steif und widerstandsfähig ausgebildet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in das zweite Stützelement eine zweite Aussparung, vorzugsweise in Form eines Schlitzes, eingebracht, die ausgehend von der Stützseite des zweiten Stützelements und quer zu der zweiten Achse verläuft. Dabei wird während der Ausführung von Schritt (f) das zweite Stützelement am Ort der zweiten Aussparung in die erste Aussparung des ersten Stützelements eingeführt, so dass die erste und zweite Aussparung sich während des Einführens schneiden, d. h. ineinander greifen, und die neben der zweiten Aussparung liegenden Abschnitte des zweiten Stützelements das erste Stützelement umgreifen. Dabei liegt ein erster Endpunkt der ersten Aussparung einem zweiten Endpunkt der zweiten Aussparung gegenüber und kann vorzugsweise auch an diesem anliegen. Die Breite der zweiten Aussparung entspricht vorzugsweise der Breite des ersten Stützelements, wobei ein gewisses Spiel zugelassen werden kann. Auf diese Weise ist nicht nur an dem ersten, sondern auch an dem zweiten Stützelement eine Aussparung vorgesehen, so dass die Ausdehnungen beider Aussparungen aufeinander abgestimmt werden können, um die mit der Aussparung verbundene Strukturschwächung möglichst auszugleichen.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die erste Aussparung sich von der freien Seite aus bis zu einem ersten Endpunkt erstreckt, der von der Befestigungsseite um einen ersten Abstand beabstandet ist, wenn die zweite Aussparung sich von der Stützseite bis zu einem zweiten Endpunkt erstreckt, der von der Stirnseite um einen zweiten Abstand beabstandet ist, und wenn die Länge des ersten Abstands der Länge der zweiten Aussparung von der Stützseite bis zu dem zweiten Endpunkt entspricht. Dabei kann die Länge des ersten Abstands jedoch auch etwas kürzer oder länger sein als die Länge der zweiten Aussparung von der Stützseite bis zu dem zweiten Endpunkt und muss dieser nicht identisch entsprechen. Auf diese Weise kann die Stützseite des zweiten Stützelements mit der Befestigungsseite des ersten Stützelements in einer Ebene liegen und vorzugsweise gemeinsam an der inneren Oberfläche des Hautelements anliegen.
Die Länge des zweiten Abstands kann vorzugsweise der Länge der ersten Aussparung von der freien Seite bis zu dem ersten Endpunkt entsprechen, so dass die Stirnseite des zweiten Stützelements mit der freien Seite des ersten Stützelements abschließen kann. Diese kann jedoch auch länger oder kürzer als die Länge der ersten Aussparung von der freien Seite bis zu dem ersten Endpunkt sein, so dass auf diese Weise eines der beiden Stützelemente das andere überragt. Dabei können die Stirnseite und die freie Seite der Stützelemente dann vorzugsweise durch Materialabtrag, wie beispielsweise durch Schleifen oder Fräsen, wieder auf eine Höhe gebracht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an dem ersten Stützelement ein Vorsprung vorgesehen, der sich an der freien Seite von dem Hautelement weg erstreckt, wobei die erste Aussparung in dem Vorsprung ausgebildet ist. Auf diese Weise, da die Aussparung in dem Vorsprung ausgebildet ist, erstreckt sich diese weniger tief in das erste Stützelement, wodurch die Struktur des ersten Stützelements weniger stark geschwächt wird.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Vorsprung dadurch gebildet ist, dass das Material des ersten Stützelements an der freien Seite beidseitig beabstandet zu der ersten Aussparung abgetragen wird. D. h. das Material des ersten Stützelements wird an dessen freier Seite in Richtung zu der inneren Oberfläche des Hautelements hin, vorzugsweise über die gesamte Ausdehnung des Stützelements entlang der ersten Achse, bis auf einen Bereich beidseitig angrenzend an die Aussparung, der nicht abgetragen wird und somit den Vorsprung bildet, abgetragen. Der Materialabtrag kann beispielsweise durch Schleifen oder Fräsen erfolgen. Dieser Schritt des Materialabtrags kann sowohl nach dem Befestigen des ersten Stützelements an dem Hautelement (Schritt (c)) als auch bereits vor diesem Schritt erfolgen. Auch das Einbringen der ersten Aussparung kann bereits vor oder aber auch nach dem Materialabtrag erfolgen.
Dabei ist es weiter besonders bevorzugt, wenn der erste Endpunkt der ersten Aussparung in der Ebene liegt, in der sich die freie Seite neben dem Vorsprung erstreckt. Dabei muss sich der Endpunkt nicht exakt in dieser Ebene befinden, sondern kann leicht darüber oder darunter liegen. Auf diese Weise ist die erste Aussparung vollständig in dem Vorsprung ausgebildet und hat somit keine Schwächung der Struktur des ersten Stützelements zur Folge.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das erste Stützelement an dem Hautelement mittels Prepreg-Lagen, vorzugsweise aus CFK-Material, befestigt, die auf die seitlichen Oberflächen des ersten Stützelements zwischen der Befestigungsseite und der freien Seite sowie auf die innere Oberfläche des Hautelements neben dem ersten Stützelement aufgelegt und anschließend ausgehärtet werden. Dabei wird mindestens eine Prepreg-Lage verwendet, vorzugsweise jedoch mehrere übereinander liegende Prepreg-Lagen. Die Prepreg-Lagen werden dabei mindestens an eine der beiden seitlichen Oberflächen des ersten Stützelements sowie an den angrenzenden Bereich der innere Oberfläche des Hautelements angelegt, vorzugsweise jedoch an beiden gegenüberliegenden seitlichen Oberflächen des ersten Stützelements und den entsprechenden angrenzenden Bereichen der inneren Oberfläche des Hautelements. Die Prepreg-Lagen werden im nicht ausgehärteten, flexiblen Zustand auf die beschriebenen Oberflächen aufgelegt und werden durch einen bestimmten von außen aufgebrachten Druck und eine entsprechende von außen aufgebrachte Temperatur anschließend ausgehärtet, wodurch sie versteifen und in ihrer aufgelegten Form fixiert sind.
Ein solcher Prozess des Befestigens eines ersten Stützelements an einem Hautelement mittels Prepreg-Lagen wird in der U.S. 7,897,095 B2 ausführlich beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das zweite Stützelement an dem ersten Stützelement mittels Prepreg-Lagen, vorzugsweise aus CFK-Material, befestigt, die auf die seitlichen Oberflächen des ersten Stützelements zwischen der Befestigungsseite und der freien Seite sowie auf die seitlichen Oberflächen des zweiten Stützelements zwischen der Stützseite und der Stirnseite aufgelegt und anschließend ausgehärtet werden. Analog zu der Befestigung des ersten Stützelements an dem Hautelement mittels Prepreg-Lagen können auch bei der Befestigung des zweiten Stützelements an dem ersten Stützelement ein oder vorzugsweise mehrere Prepreg-Lagen vorgesehen sein, die auf einer oder vorzugsweise auf beiden gegenüberliegenden Seiten bzw. in allen vier Ecken zwischen dem ersten und zweiten Stützelement vorgesehen sind.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die alternativ oder zusätzlich zu der zuvor genannten Ausführungsform durchgeführt werden kann, wird das zweite Stützelement an dem Hautelement mittels Prepreg-Lagen, vorzugsweise aus CFK-Material, befestigt, die auf die seitlichen Oberflächen des zweiten Stützelements zwischen der Stützseite und der Stirnseite sowie auf die innere Oberfläche des Hautelements neben dem zweiten Stützelement aufgelegt und anschließend ausgehärtet werden. Analog der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist auch bei dieser Ausführungsform mindestens eine, vorzugsweise sind jedoch mehrere Prepreg-Lagen an mindestens einer seitlichen Oberfläche, vorzugsweise an beiden seitlichen Oberflächen, des zweiten Stützelements und den entsprechenden angrenzenden Bereichen der inneren Oberfläche des Hautelements vorgesehen.
Das Befestigen des ersten und zweiten Stützelements aneinander sowie an dem Hautelement mittels Prepreg-Lagen ist besonders vorteilhaft, da diese im unausgehärteten Zustand sehr flexibel in die Ecken zwischen den Stützelementen und dem Hautelement aufgebracht werden können und im ausgehärteten Zustand eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht mit sich bringen.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Vorsprung nach dem Befestigen des zweiten Stützelements an dem ersten Stützelement und/oder an dem Hautelement (Schritt (g)) bis auf eine Ebene, in der sich die freie Seite neben dem Vorsprung erstreckt, abgetragen. Dies kann beispielsweise durch Fräsen oder Schleifen geschehen. Auf diese Weise ist eine einheitliche ebene Oberfläche an der freien Seite des ersten Stützelements geschaffen, die sich vorzugsweise auch in einer Ebene mit der Stirnseite des zweiten Stützelements erstrecken kann. Der Vorsprung wurde auf diese Weise lediglich zum Halten des zweiten Stützelements an dem ersten Stützelement bis zu deren Befestigung mit Hilfe der Prepreg-Lagen verwendet und kann anschließend, d. h. nachdem die Prepreg-Lagen ausgehärtet sind und die beiden Stützelemente aneinander bzw. an dem Hautelement fixiert sind, gänzlich beseitigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden weitere Stützelemente parallel zu dem ersten und/oder zweiten Stützelement auf gleiche oder ähnliche Weise wie das erste und/oder zweite Stützelement an dem Hautelement vorgesehen. Auf diese Weise kann ein Raster von einer Vielzahl von parallelen und quer verlaufenden, d. h. sich kreuzenden, Stützelementen gebildet werden, die das Hautelement an dessen innerer Oberfläche abstützen und somit ein verstärktes Schalenelement bilden. Dabei können die Prepreg-Lagen durchgehend über mehrere parallele Stützelemente hinweg aufgebracht werden. Auf diese Weise kann der Prozess des Befestigens der Stützelemente an dem Hautelement mittels Prepreg-Lagen vereinfacht und beschleunigt werden.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit Stützelementen verstärkten Schalenelements anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
1 ein ausgehärtetes Hautelement aus CFK-Material zur erfindungsgemäßen Herstellung eines mit Stützelementen verstärkten Schalenelements,
2 ein erstes Stützelement, das auf dem Hautelement aus 1 angeordnet ist und sich parallel zu einem weiteren Stützelement erstreckt,
3 das erste Stützelement aus 2 befestigt an dem Hautelement aus 1 mittels Prepreg-Lagen,
4 das erste Stützelement aus 3 versehen mit einem Vorsprung und einer in dem Vorsprung vorgesehenen ersten Aussparung,
5 das erste Stützelement aus 4, wobei in der ersten Aussparung ein zweites Stützelement quer zu dem ersten Stützelement angeordnet ist,
6 die Anordnung aus erstem und zweitem Stützelement aus 5, wobei das zweite Stützelement an dem ersten Stützelement und an dem Hautelement mittels Prepreg-Lagen befestigt ist, und
7 die Anordnung aus erstem und zweitem Stützelement aus 6, wobei der Vorsprung des ersten Stützelements sowie das zweite Stützelement an dessen Stirnseite bis auf die Ebene der freien Seite des ersten Stützelements abgetragen wurden.
In den 1 bis 7 sind verschiedene Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit Stützelementen 1, 3 verstärkten Schalenelements 5, insbesondere eines Flugzeugstrukturelements, dargestellt.
Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird zunächst ein Hautelement 7 aus CFK-Material, hier ein Außenhautelement einer Flugzeugstruktur, mit einer äußeren Oberfläche 9 und einer der äußeren Oberfläche 9 gegenüber liegenden inneren Oberfläche 11 bereitgestellt (Schritt (a)), siehe 1).
Anschließend wird ein erstes Stützelement 1, beispielsweise ein Stringerelement, das sich länglich entlang einer ersten Achse 13 erstreckt und parallel zu der ersten Achse 13 eine Befestigungsseite 15 und eine der Befestigungsseite 15 gegenüberliegende freie Seite 17 aufweist, bereitgestellt (Schritt (b)) und derart auf dem Hautelement 7 angeordnet, dass die Befestigungsseite 15 des ersten Stützelements 1 an der inneren Oberfläche 11 des Hautelements 7 anliegt (siehe 2).
Als nächstes wird das erste Stützelement 1 mittels Prepreg-Lagen 19, die auf die seitlichen Oberflächen 21 des ersten Stützelements 1 zwischen der Befestigungsseite 15 und der freien Seite 17 sowie auf die Bereiche 23 der inneren Oberfläche 11 des Hautelements 7 neben dem ersten Stützelement 1 aufgelegt und anschließend ausgehärtet werden, an dem Hautelement 7 befestigt, wobei die Befestigungsseite 15 des ersten Stützelements 1 zu der inneren Oberfläche 11 des Hautelements 7 weist und an dieser anliegt (Schritt (c), siehe 3).
Darauffolgend wird eine erste Aussparung 25 in Form eines Schlitzes in das erste Stützelement 1 eingebracht, wobei die erste Aussparung 25 von der freien Seite 17 des ersten Stützelements 1 aus quer zu der ersten Achse 13 verläuft (Schritt (d), siehe 4). Dabei erstreckt sich die erste Aussparung 25 von der freien Seite 17 aus bis zu einem ersten Endpunkt 27, der von der Befestigungsseite 15 um einen ersten Abstand 29 beabstandet ist. Anschließend oder aber auch zuvor wird an dem ersten Stützelement 1 ein Vorsprung 31 vorgesehen, der sich an der freien Seite 17 von dem Hautelement 7 weg erstreckt und in dem die erste Aussparung 25 ausgebildet ist. Dabei wird der Vorsprung 31 derart gebildet, dass das Material des ersten Stützelements 1 an der freien Seite 17 beidseitig neben der ersten Aussparung 25 und beabstandet zu der ersten Aussparung 25 abgetragen wird (siehe 4). Dieser Materialabtrag kann beispielsweise durch Fräsen oder auch durch Schleifen erfolgen. Der erste Endpunkt 27 der ersten Aussparung 25 liegt dabei in der Ebene, in der sich die freie Seite 17 neben dem Vorsprung 31 erstreckt.
Als nächstes wird ein zweites Stützelement 3, das wie das erste Stützelement 1 beispielsweise ein Stringer-Element sein kann, sich länglich entlang einer zweiten Achse 33 erstreckt und eine Stützseite 35 und eine der Stützseite 35 gegenüberliegende Stirnseite 37 aufweist, bereitgestellt (Schritt (e), 5). In das zweite Stützelement 3 wird eine zweite Aussparung 39 in Form eines Schlitzes eingebracht, die ausgehend von der Stützseite 35 des zweiten Stützelements 3 und quer zu der zweiten Achse 33 verläuft.
Anschließend wird das zweite Stützelement 3 derart in die erste Aussparung 25 des ersten Stützelements 1 eingeführt, dass die Stützseite 35 zu der inneren Oberfläche 11 des Hautelements 7 weist und an dieser anliegt und dass die zweite Achse 33 des zweiten Stützelements 3 quer zur ersten Achse 13 des ersten Stützelements 1 verläuft (Schritt (f), siehe 5). Dabei wird das zweite Stützelement 3 am Ort der zweiten Aussparung 39 in die erste Aussparung 25 des ersten Stützelements 1 eingeführt, so dass die erste und zweite Aussparung 25, 39 sich während des Einführens kreuzen oder schneiden und die neben der zweiten Aussparung 39 liegenden Abschnitte 41a, 41b des zweiten Stützelements 3 das erste Stützelement 1 umgreifen. Die zweite Aussparung 39 in dem zweiten Stützelement 3 erstreckt sich von der Stützseite 35 aus bis zu einem zweiten Endpunkt 43, der von der Stirnseite 37 um einen zweiten Abstand 45 beabstandet ist. Dabei entspricht die Länge des ersten Abstands 29 der Länge der zweiten Aussparung 39 von der Stützseite 35 bis zu dem zweiten Endpunkt 43, so dass das zweite Stützelement 3 mit der Stützseite 35 an der inneren Oberfläche 11 des Hautelements 7 anliegen und dieses stützen kann (siehe 5). Gleichzeitig entspricht auch die Länge des zweiten Abstands 45 der Länge der ersten Aussparung 25 von der freien Seite 17 bis zu dem ersten Endpunkt 27, so dass die Stirnseite 37 des zweiten Stützelements 3 mit der freien Seite 17 des ersten Stützelements 1 im Bereich des Vorsprungs 31 abschließt.
Schließlich wird das zweite Stützelement 3 an dem ersten Stützelement 1 und an dem Hautelement 7 befestigt (Schritt (g), siehe 6). Die Befestigung des zweiten Stützelements 3 an dem ersten Stützelement 1 erfolgt mittels Prepreg-Lagen 19, die auf die seitlichen Oberflächen 21 des ersten Stützelements 1 zwischen der Befestigungsseite 15 und der freien Seite 17 sowie auf die seitlichen Oberflächen 47 des zweiten Stützelements 3 zwischen der Stützseite 35 und der Stirnseite 37 aufgelegt und anschließend ausgehärtet werden. Die Befestigung des zweiten Stützelements 3 an dem Hautelement 7 erfolgt ebenfalls mittels Prepreg-Lagen 19, die auf die seitlichen Oberflächen 47 des zweiten Stützelements 3 zwischen der Stützseite 35 und der Stirnseite 37 sowie auf die innere Oberfläche 11 des Hautelements 7 in dem Bereich 49 neben dem zweiten Stützelement 3 aufgelegt und anschließend ausgehärtet werden.
Als letzter Schritt wird der Vorsprung 31 nach dem Befestigen des zweiten Stützelements 3 an dem ersten Stützelement 1 und an dem Hautelement 7 bis auf die Ebene, in der sich die freie Seite 17 neben dem Vorsprung 31 erstreckt, durch Fräsen oder Schleifen abgetragen (siehe 7). Ebenfalls wird das zweite Stützelement 3 auf der Stirnseite 37 bis auf die Ebene der freien Seite 17 abgetragen, so dass sich freie Seite 17 und Stirnseite 37 in einer Ebene erstrecken.
Parallel zu dem ersten und zweiten Stützelement 1, 3 werden weitere Stützelemente 51 vorgesehen, die in gleicher Weise wie das erste und zweite Stützelement 1, 3 an dem Hautelement 7 angebracht werden. Auf diese Weise kann ein mit Stützelementen 1, 3, 51 verstärktes Schalenelement 5 aus CFK-Material besonders einfach und schnell hergestellt werden, wobei senkrecht zueinander verlaufende, d. h. sich kreuzende, Stützelemente 1, 3 vorgesehen sind, die an dem Kreuzungspunkt keine Strukturschwächung erfahren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7897095 B2 [0002, 0023]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mit Stützelementen (1, 3) verstärkten Schalenelements (5) mit den folgenden Schritten: (a) Bereitstellen eines Hautelements (7) mit einer äußeren Oberfläche (9) und einer der äußeren Oberfläche (9) gegenüber liegenden inneren Oberfläche (11), (b) Bereitstellen eines ersten Stützelements (1), das sich entlang einer ersten Achse (13) erstreckt und das parallel zu der ersten Achse (13) eine Befestigungsseite (15) und eine der Befestigungsseite (15) gegenüber liegende freie Seite (17) aufweist, (c) Befestigen des ersten Stützelements (1) an dem Hautelement (7) derart, dass die Befestigungsseite (15) des ersten Stützelements (1) zu der inneren Oberfläche (11) des Hautelements (7) weist, (d) Einbringen einer ersten Aussparung (25) in das erste Stützelement (1), die ausgehend von der freien Seite (17) des ersten Stützelements (1) und quer zu der ersten Achse (13) verläuft, (e) Bereitstellen eines zweiten Stützelements (3), das sich entlang einer zweiten Achse (33) erstreckt und das parallel zu der zweiten Achse (33) eine Stützseite (35) und eine der Stützseite (35) gegenüber liegende Stirnseite (37) aufweist, (f) Einführen des zweiten Stützelements (3) in die erste Aussparung (25) des ersten Stützelements (1) derart, dass die Stützseite (35) zu der inneren Oberfläche (11) des Hautelements (7) weist und dass die zweite Achse (33) des zweiten Stützelements (3) quer zur ersten Achse (13) des ersten Stützelements (1) verläuft, und (g) Befestigen des zweiten Stützelements (3) an dem ersten Stützelement (1) und/oder an dem Hautelement (7).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in das zweite Stützelement (3) eine zweite Aussparung (39) eingebracht wird, die ausgehend von der Stützseite (35) des zweiten Stützelements (3) und quer zu der zweiten Achse (33) verläuft, und wobei das zweite Stützelement (3) am Ort der zweiten Aussparung (39) in die erste Aussparung (25) des ersten Stützelements (1) eingeführt wird, so dass die erste und zweite Aussparung (25, 39) sich während des Einführens schneiden und die neben der zweiten Aussparung (39) liegenden Abschnitte (41a, 41b) des zweiten Stützelements (3) das erste Stützelement (1) umgreifen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Aussparung (25) sich von der freien Seite (17) aus bis zu einem ersten Endpunkt (27) erstreckt, der von der Befestigungsseite (15) um einen ersten Abstand (29) beabstandet ist, wobei die zweite Aussparung (39) sich von der Stützseite (35) aus bis zu einem zweiten Endpunkt (43) erstreckt, der von der Stirnseite (37) um einen zweiten Abstand (45) beabstandet ist, und wobei die Länge des ersten Abstands (29) der Länge der zweiten Aussparung (39) von der Stützseite (35) bis zu dem zweiten Endpunkt (43) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei an dem ersten Stützelement (1) ein Vorsprung (31) vorgesehen ist, der sich an der freien Seite (17) von dem Hautelement (7) weg erstreckt, und wobei die erste Aussparung (25) in dem Vorsprung (31) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Vorsprung (31) dadurch gebildet ist, dass das Material des ersten Stützelements (1) an der freien Seite (17) beidseitig beabstandet zu der ersten Aussparung (25) abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, sofern abhängig von Anspruch 3, wobei der erste Endpunkt (27) der ersten Aussparung (25) in der Ebene liegt, in der sich die freie Seite (17) neben dem Vorsprung (31) erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Stützelement (1) an dem Hautelement (7) mittels Prepreg-Lagen (19) befestigt wird, die auf die seitlichen Oberflächen (21) des ersten Stützelements (1) zwischen der Befestigungsseite (15) und der freien Seite (17) sowie auf die Bereiche (23) der inneren Oberfläche (11) des Hautelements (7) neben dem ersten Stützelement (1) aufgelegt und anschließend ausgehärtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das zweite Stützelement (3) an dem ersten Stützelement (1) mittels Prepreg-Lagen (19) befestigt wird, die auf die seitlichen Oberflächen (21) des ersten Stützelements (1) zwischen der Befestigungsseite (15) und der freien Seite (17) sowie auf die seitlichen Oberflächen (47) des zweiten Stützelements (3) zwischen der Stützseite (35) und der Stirnseite (37) aufgelegt und anschließend ausgehärtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das zweite Stützelement (3) an dem Hautelement (7) mittels Prepreg-Lagen (19) befestigt wird, die auf die seitlichen Oberflächen (47) des zweiten Stützelements (3) zwischen der Stützseite (35) und der Stirnseite (37) sowie auf die die Bereiche (49) der inneren Oberfläche (11) des Hautelements (7) neben dem zweiten Stützelement (3) aufgelegt und anschließend ausgehärtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5 bis 9, sofern abhängig von Anspruch 4, wobei der Vorsprung (31) nach dem Befestigen des zweiten Stützelements (3) an dem ersten Stützelement (1) und/oder an dem Hautelement (7) bis auf die Ebene, in welcher sich die freie Seite (17) neben dem Vorsprung (31) erstreckt, abgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei weitere Stützelemente (51) parallel zu dem ersten und/oder dem zweiten Stützelement (1, 3) auf gleiche Weise wie das erste und/oder zweite Stützelement (1, 3) an dem Hautelement (7) vorgesehen werden.