VERFAHREN ZUM ANBINDEN EINES FASERVERBUNDBAUTEILS AN EIN STRUKTURBAUTEIL EINES LUFT- UND RAUMFAHRZEUGES UND EINE ENTSPRECHENDE ANORDNUNG |
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申请号 | EP10784813.7 | 申请日 | 2010-12-03 | 公开(公告)号 | EP2509772B1 | 公开(公告)日 | 2017-06-28 |
申请人 | Airbus Operations GmbH; | 发明人 | PACCHIONE, Marco; FURFARI, Domenico; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbinden eines Faserverbundbauteils an ein Strukturbauteil eines Luft- und Raumfahrzeuges und eine entsprechende Anordnung. Obwohl auf beliebige Faserverbundbauteile anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend mit Bezug auf Kohlefaserkunststoff (CFK)-Bauteile (auch als Faserverbundbauteile bezeichnet), beispielsweise Strukturbauteile eines Flugzeugs, näher erläutert. Es ist allgemein bekannt, CFK-Hautschalen mit CFK-Stringern, CFK-Spanten, metallischen Spanten und ähnlichen Strukturbauteilen zu versteifen, um den hohen Belastungen im Flugzeugbereich bei möglichst geringem zusätzlichen Gewicht standzuhalten. Die Verwendung von Faserverbundbauteilen ist im Flugzeugbau zum Beispiel für Hautfelder und deren Versteifungen durch Stringer weit verbreitet. Sie werden zum Beispiel durch Prepregtechnologie, Thermosetverfahren und/oder Vakuuminfusionsverfahren zum Einbringen einer Matrix, beispielsweise eines Epoxidharzes, in Faserhalbzeuge und nachfolgendem Härten hergestellt. Ein Faserverbundbauteil ist zum Beispiel aus Faserhalbzeugen aufgebaut. Unter Faserhalbzeugen sind Gewebe, Gelege und Fasermatten zu verstehen. Strukturelle Füge- bzw. Verbindungsstellen, welche eine bestimmte Schadenstoleranz aufweisen, sind mit Metallfolien zwischen Stoßflächen versehen, wobei eine Querverstärkung (durch Dicke) hinzugefügt wird. Verbundlaminate sind anfällig für Schäden, die in einer Ebene entstehen, wie zum Beispiel Delamination. Es wurden verschiedene Verbundtechnologien entwickelt, um die Eigenschaften in Querrichtung zu verbessern, wie beispielsweise Z-Pinning, Heften, Tuften. Es gibt auch Beispiele von Hybridteilen (CFK/Metall), welche mechanische Verbindungen zwischen den metallischen Teilen und Verbundwerkstoffteilen durch Verwendung von integrierten bzw. eingebetteten Merkmalen benutzen, um zusätzliche Stärke und Schadenstoleranz aufgrund einer metallischen Festsetzung des metallischen Teils in der Laminatstruktur zu erreichen. TWI (The Welding Institute) gibt ein Verfahren an, das es dem Hersteller ermöglicht, ein Array von kleinen Anordnungen in das Laminat eindringen zu lassen, wodurch eine gemeinsam gehärtete (co-cured) mechanische Verbindung entsteht. Zur Bildung dieser Anordnungen wird jedoch Material selektiv aus der Oberfläche benutzt, wobei die Oberfläche dadurch beeinträchtigt werden kann. Das Profil der Anordnungen ist nicht leicht zu steuern, und die Oberfläche ist relativ rau, was eine Dauerstandfestigkeit des ursprünglichen Teils beeinträchtigen kann. Bei dem so genannten Additive Layer Manufacturing kann die Geometrie dieser Anordnungen besser beherrscht werden. Weiterhin gibt es eine reproduzierbare Verbindungsanordnung von metallischen, speziell perforierten Folien, die im Automobilbereich eingesetzt wird. Ein weiteres Beispiel zur Illustration gibt das Dokument Des Weiteren beschreibt die Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Anbinden eines Faserverbundbauteils an ein Strukturbauteil anzugeben. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine entsprechende Anordnung bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9 bzw. durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Demgemäß wird bei einem Verfahren zum Anbinden eines Faserverbundbauteils an ein Strukturbauteil eines Luft- und Raumfahrzeuges eine Metallfolie als Querverstärkungselement zwischen dem Faserverbundbauteil und dem Strukturbauteil vorgesehen. Die Metallfolie wird mit mindestens einem Verankerungsabschnitt ausgebildet, welcher von der dem Faserverbundbauteil zugewandten Oberfläche vorsteht. Dann wird die Metallfolie zwischen das Faserverbundbauteil und dem Strukturbauteil eingefügt. In einem alternativen Verfahren ist vorgesehen, dass die bereitgestellte Metallfolie als Querverstärkungselement in einem Verbindungsabschnitt des Faserverbundbauteils und des Strukturbauteils vorgesehen ist. Sie wird mit mindestens einem Verankerungsabschnitt ausgebildet, welcher von einer Oberfläche der Metallfolie vorsteht. Dann wird die Metallfolie auf einer Außenseite des Verbindungsabschnitts angeordnet, wobei sich der mindestens eine Verankerungsabschnitt durch das Faserverbundbauteil vollständig hindurch erstreckt und sich in das Strukturbauteil hinein erstreckt oder durch das Strukturbauteil vollständig hindurch erstreckt und sich in das Faserverbundbauteil hinein erstreckt. Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst ein Faserverbundbauteil und ein Strukturbauteil eines Luft- und Raumfahrzeuges, bei welcher eine Metallfolie in einem Verbindungsabschnitt des Faserverbundbauteils und des Strukturbauteils als Querverstärkungselement eingefügt ist. Die Metallfolie weist mindestens einen Verankerungsabschnitt auf, welcher von einer Oberfläche der Metallfolie vorsteht. Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den eingangs genannten Ansätzen den Vorteil auf, dass eine Schadenstoleranz einer Verbindung eines Faserverbundbauteils mit einem Strukturbauteil erhöht ist, indem eine Delamination in der Ebene des Faserverbundbauteils vermieden oder in ihrer Ausbreitung begrenzt wird. Derartige Delaminationen können bei verbundenen Verbundbauteilen/Hybridverbindungen als Folge zufälliger Schäden, wie beispielsweise Herstellungsfehler, ungeeignete Oberflächenvorbereitung, Aufprall mit geringer Energie, hohe Schälkräfte, auftreten. Weiterhin besteht ein bedeutender Vorteil darin, dass die Metallfolie ein kostengünstiges Bauteil mit geringem Eigengewicht ist. Außerdem schränkt die Verwendung dieser Metallfolien die Anzahl von Befestigungselementen ein, welche für eine Schadenstoleranzvorschrift erforderlich sind (z.B. "Chicken Fasteners"). Ein noch weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit dazu dient, Befestigungselemente zu reduzieren, welche für einen Blitzschutz eingesetzt werden. In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung. Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, eine Metallfolie mit zumindest einem Verankerungsabschnitt in einem Verbindungsabschnitt der Bauteile einer Anbindung eines Faserverbundbauteils an einem Strukturbauteil zu verankern. CFK-Strukturen weisen gut bekannte Begrenzungen hinsichtlich ihrer Eigenschaften in Schadenstoleranz auf. Die Einfügung einer Metallfolie mit Verankerungsabschnitten, welche dazu geeignet sind, die Verbundlaminate zwischen Stoßflächen von Verbund- (oder Hybrid-) Verbindungen zu verankern, schaffen eine Querverstärkung (durch Dicke), wobei die Schadenstoleranzeigenschaften der Verbindung verbessert werden. Die Erfindung ist vielseitig anwendbar. Zum Beispiel kann sie in den folgenden Kombinationen von Faserverbundbauteil und Strukturbauteil zum Einsatz kommen:
In dem Fall, wenn das Faserverbundbauteil ungehärtet oder teilgehärtet ist, wird die Metallfolie mit dem Faserverbundbauteil durch Aushärten desselben verbunden, wobei sich der mindestens eine Verankerungsabschnitt in das Faserverbundbauteil hinein erstreckt. Ist das Faserverbundbauteil gehärtet, kann die Metallfolie mit dem Faserverbundbauteil durch eine erste Klebeschicht mit derselben verbunden werden, wobei sich der mindestens eine Verankerungsabschnitt in die erste Klebeschicht hinein erstreckt. In einem weiteren Fall, wenn das Strukturbauteil ein metallisches Teil ist oder eine gehärtete Faserverbundstruktur aufweist, kann die Metallfolie mit dem Strukturbauteil über eine zweite Klebeschicht verbunden werden. Eine weitere Ausführung sieht vor, dass die Metallfolie mit einem weiteren Verankerungsabschnitt, welcher von der dem Strukturbauteil zugewandten Oberfläche vorsteht und sich in die zweite Klebeschicht hinein erstreckt, an dem Strukturbauteil angebunden wird. Die Verankerungsabschnitte, welche aus der Ebene der Metallfolie hervorstehen, dringen in das Faserverbundbauteil ein, wenn es ungehärtet oder teilgehärtet ist, oder dringen in die Klebeschicht ein. Hierbei bilden sie eine Verstärkung in z-Richtung, d.h. in einer Richtung, die aus der Ebene der Metallfolie hervorsteht, z.B. senkrecht oder in einem vorbestimmten Winkel. Dadurch kann eine Delamination in der Ebene eines Faserverbundbauteils vermieden oder angehalten werden. Wenn das Strukturbauteil eine ungehärtete oder teilgehärtete Faserverbundstruktur aufweist, wird die Metallfolie mit einem weiteren Verankerungsabschnitt ausgebildet, welcher von der dem Strukturbauteil zugewandten Oberfläche vorsteht, d.h. die Metallfolie weist dann auf jeder Seite vorstehende Verankerungsabschnitte auf. Dann wird der weitere Verankerungsabschnitt mit dem Strukturbauteil durch Aushärten desselben verbunden, wobei sich der weitere Verankerungsabschnitt in das Strukturbauteil hinein erstreckt. Es ist dabei auch möglich, dass die Metallfolie zunächst nur mit einem Verankerungsabschnitt mit dem Strukturbauteil durch Härten verbunden wird und danach an dem Faserverbundbauteil durch weiteres Härten angebunden wird. Natürlich ist auch ein gemeinsames Härten durchführbar. In einem weiteren Fall, wenn das Faserverbundbauteil und das Strukturbauteil jeweils aus einem thermoplastischen Laminat bestehen, wird die Metallfolie mit mindestens einem weiteren Verankerungsabschnitt ausgebildet, welcher von der dem Strukturbauteil zugewandten Oberfläche vorsteht, so dass auf jeder Seite der Metallfolie ein Verankerungsabschnitt hervorsteht. Das Faserverbundbauteil kann nun nach Einfügen der Metallfolie mit dem Strukturbauteil verschweißt werden. Dabei erstrecken sich die Verankerungsabschnitte in das jeweils zugehörige Bauteil. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn bei dem Schweißvorgang die Metallfolie zur Einführung von Wärme, beispielsweise durch Induktion, zumindest teilweise verwendet wird. Das Ausbilden der Metallfolie mit den Verankerungsabschnitten kann zum Beispiel durch Stanzbiegeverfahren, Hochgeschwindigkeits-Metallzerspanen, Elektronenstrahlbearbeiten, Additiv-Schichten-Herstellverfahren, und/oder dergleichen durchgeführt werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil einer schnellen und kostengünstigen Herstellung durch bekannte Verfahren. Die Gestalt der Verankerungsabschnitte kann unterschiedlich in Abhängigkeit von der verwendeten Technologie sein. Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Verankerungsabschnitt und/oder der weitere Verankerungsabschnitt als Stanzbiegeteil ausgebildet und weist Verankerungselemente auf, die im Wesentlichen senkrecht oder in einem vorbestimmten Winkel zur jeweiligen Oberfläche der Metallfolie angeordnet sind. Dabei sind die Verankerungsabschnitte einstückig mit der Metallfolie ausgebildet Alternativ weist der mindestens eine Verankerungsabschnitt und/oder der weitere Verankerungsabschnitt Verankerungspins auf, welche separat hergestellt und dann an der Metallfolie angeschweißt werden. Die Verankerungspins können auch durch Elektronenstrahlbearbeitung, Additiv-Schichten-Herstellverfahren (auch als Additiv-Layer-Manufacturing bezeichnet), und/oder dergleichen hergestellt werden. Die Verankerungselemente und/oder Verankerungspins können zum Beispiel auch mit Widerhaken, Verzahnungen, Spitzen und/oder dergleichen versehen sein. Die Metallfolie kann zum Beispiel ein Titanmaterial oder einen Stahl- bzw. Edelstahlwerkstoff aufweisen. Der Metallfolienwerkstoff muss gegen die Werkstoffe der Anordnung und deren Hilfsstoffe beständig sein. Die Metallfolie kann vor dem Einsatz in der Anordnung einer entsprechenden Oberflächenbehandlung bzw. - vorbereitung unterzogen werden, so dass eine optimale Haftung zwischen dem Metallfolienwerkstoff und den Werkstoffen der Bauteile der Anordnung, z.B. Matrix, Fasern, Kleber, gewährleistet ist. Verbindungen, welche derzeit genietet werden, wie beispielsweise Längsverbindungen von Rumpfteilen, umlaufende Verbindungen, können durch Einsatz der Erfindung gebondet bzw. geklebt werden. Zusätzlich können hoch belastete Stellen (z.B. Stringerausläufe) von dieser lokalen Verstärkung profitieren. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. Koordinaten x, y, z erleichtern eine Orientierung Eine Metallfolie 4 wird so ausgebildet, dass sie auf der Seite, die zu dem Faserverbundbauteil 2 weist, einen Verankerungsabschnitt 7 erhält. Dies kann zum Beispiel durch Stanzbiegeverfahren, Hochgeschwindigkeits-Metallzerspanen, Elektronenstrahlbearbeiten, Additiv-Schichten-Herstellverfahren, und/oder dergleichen durchgeführt werden. Eine weitere Beschreibung erfolgt weiter unten im Zusammenhang mit den Die Metallfolie 4 wird über eine Klebeschicht 6 mit dem Strukturbauteil 3 verbunden. Auf der anderen Seite dringt der Verankerungsabschnitt 7 in z-Richtung in das Faserverbundbauteil 2 ein und wird mit diesem durch Härten des Faserverbundbauteils 2 verbunden. Auch eine gleichzeitige Durchführung von Verkleben und Härten kann ausgeführt werden. Ein zweites Ausführungsbeispiel illustriert Sind in diesem Fall sowohl das Faserverbundbauteil 2 als auch das Strukturbauteil 3 bereits gehärtet, können sie gemäß der Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels, das Ein viertes Ausführungsbeispiel illustriert Die Klebeschichten 5, 6 können z.B. als Klebefilm oder Klebepaste zum Einsatz kommen. Weitere Ausführungen sind selbstverständlich möglich. Bei allen Ausführungen der Verbindung ist die gebondete bzw. geklebte oder geschweißte Verbindung permanent. Sie kann nur durch Zerstörung der Bondschichten (Klebeschicht oder geschweißte Schicht) und der Metallfolie 4 gelöst werden. Eine weitere gemeinsame Eigenschaft der Ausführungen besteht darin, dass bei normalen Bedingungen bzw. bei normalem Betrieb die Lasten durch die Klebeschichten übertragen werden. Nur in dem Fall, in welchem ein lokaler Klebfehler und/oder Versagen auftritt, unterstützen die Metallfolien die Lastübertragung. Die Verankerungsabschnitte 7, 8 der Metallfolie 4 bilden eine Querverstärkung der Verbindung im Verbindungsabschnitt 1 quer zur x-Richtung bzw. in einem Winkel, z.B. senkrecht zur x-y-Ebene. In Ein zweites Ausführungsbeispiel von Verankerungsabschnitten 7 und 8 ist in Durch die Ausstanzungen 15 kann Klebeschicht bzw. Matrixwerkstoff hindurch treten und somit eine innigere Verbindung von Faserverbundbauteil 2 und Strukturbauteil 3 schaffen. Schließlich zeigt Die Anordnung der gezeigten Verankerungselemente 11 und Verankerungspins 12 ist nur beispielhaft und kann selbstverständlich variieren, wie in den In Die Verankerungselemente 11 und Verankerungspins 12 sind zum Beispiel einstückig mit der Metallfolie 4 hergestellt. Es ist aber auch möglich, dass die Verankerungspins 12 (siehe So kann bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß Bei einem Verfahren zum Anbinden eines Faserverbundbauteils 2 an ein Strukturbauteil 3 eines Luft- und Raumfahrzeuges, wird eine Metallfolie 4 als Querverstärkungselement zwischen dem Faserverbundbauteil 2 und dem Strukturbauteil 3 vorgesehen. Sie wird mit mindestens einem Verankerungsabschnitt 7, welcher von der dem Faserverbundbauteil 2 zugewandten Oberfläche 9 vorsteht ausgebildet und zwischen das Faserverbundbauteil 2 und dem Strukturbauteil 3 eingefügt. Eine entsprechende Anordnung ist nach diesem Verfahren hergestellt.
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