DE102004035170B3

DE102004035170B3 - Verfahren zur Fertigung eines zylindrisch gekrümmten Blechteils, insbesondere eines Außenhaut-Blechteils eines Flugkörpers

Info

Publication number: DE102004035170B3
Application number: DE200410035170
Authority: DE
Inventors: Gerd K.H. Prof. h.c. Prof. Dr.-Ing. Sepold; Henri Dr.-Ing. Lajain
Original assignee: Individual
Current assignee: Formtech 28844 Weyhe De GmbH
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: WO2006008106A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines mit Spanten und Stringern versehenen zylindrisch gekrümmten Blechteils, insbesondere eines Außenhaut-Blechteils eines Flugkörpers wie beispielsweise des Rumpfes eines Flugzeugs, mit den Schritten: DOLLAR A a) Einbringen von Taschenbereichen in Bereichen einer Oberfläche eines ebenflächigen Blechteils, in denen keine Spanten und/oder Stringer aufgebracht werden, so dass das Blechteil dort eine geringere Dicke aufweist als in Sockelbereichen, in denen Spanten und/oder Stringer aufgebracht werden, DOLLAR A b) Aufbringen von einem oder mehreren im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Stringern auf das ebenflächige Blechteil in erhabenen Stringer-Sockelbereichen zwischen den Taschenbereichen, DOLLAR A c) elastisches Verformen des mit den Stringern versehenen Außenhaut-Blechteils, so dass das Blechteil die gewünschte Krümmung aufweist, DOLLAR A d) Aufbringen von einem oder mehreren im Wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zu den Stringern angeordneten, dieselbe Krümmung wie das gekrümmte Blechteil aufweisenden Spanten auf das gekrümmte Blechteil in erhabenen Spanten-Sockelbereichen zwischen den Taschenbereichen, so dass das Blechteil im gekrümmten Zustand verbleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines mit Spanten und Stringern versehenen gekrümmten Außenhaut-Blechteils eines Flugkörpers, insbesondere des Rumpfes eines Flugzeugs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Außenhaut-Blechteil eines Flugkörpers.

Es sind diverse Verfahren zur Fertigung eines mit Spanten und Stringern versehenen zylindrisch gekrümmten Blechteils, wie beispielsweise des Außenhaut-Blechteils eines Flugkörpers, insbesondere des Rumpfes eines Flugzeugs, bekannt. Allen bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass zunächst ein ebenflächiges Blechteil in die erforderliche gekrümmte Form gebracht wird, beispielsweise durch Streckziehen oder Heißkalibrieren. Erst danach wird die mit den Spanten und Stringern zu versehene Oberfläche des gekrümmten Blechteils für die Aufbringung der Spanten und Stringer vorbereitet, indem insbesondere sogenannte Taschenbereiche eingebracht werden, beispielsweise durch chemisches Ätzen, in denen das Blechteil eine geringere Dicke aufweist als in den sonstigen Bereichen. Anschließend werden die Stringer und Spanten aufgebracht. Die Aufbringung der Stringer und Spanten erfolgt dabei zumeist durch Nieten, wobei die Stringer und Spanten miteinander bzw. mit dem Blechteil indirekt über sogenannte Clips verbunden werden. Teilweise werden Stringerverbindungen jedoch auch durch Schweißen oder Verkleben hergestellt. Die Bearbeitung des gekrümmten Blechteils, also insbesondere das Einbringen der Taschenbereiche sowie das Aufbringen der Stringer und Spanten auf das gekrümmte Blechteil, bringt allerdings fertigungstechnisch einen recht großen Aufwand mit sich. So erfordert beispielsweise das Streckziehen eine glatte Oberfläche, d.h. ein Einbringen von Taschenbereichen vor der Krümmung des Blechteils, also in ebenem Zustand des Blechteils, ist nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich des Fertigungsaufwandes einfacheres Fertigungsverfahren sowie eine entsprechende Fertigungsvorrichtung anzugeben. Des weiteren soll ein einfacher zu fertigendes Blechteil angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) Einbringen von Taschenbereichen in Bereichen einer Oberfläche eines ebenflächigen Blechteils, in denen keine Spanten und/oder Stringer aufgebracht werden, so dass das Blechteil dort eine geringere Dicke aufweist als in Sockelbereichen, in denen Spanten und/oder Stringer aufgebracht werden,
b) Aufbringen von einem oder mehreren im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Stringern auf das ebenflächige Blechteil in erhabenen Stringer-Sockelbereichen zwischen den Taschenbereichen,
c) elastisches Verformen des mit den Stringern versehenen Außenhaut-Blechteils, so dass das Blechteil die gewünschte Krümmung aufweist,
d) Aufbringen von einem oder mehreren im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zu den Stringern angeordneten, dieselbe Krümmung wie das gekrümmte Blechteil aufweisenden Spanten auf das gekrümmte Blechteil in erhabenen Spanten-Sockelbereichen zwischen den Taschenbereichen, so dass das Blechteil im gekrümmten Zustand verbleibt.

Eine entsprechende Fertigungsvorrichtung ist in Anspruch 10 angegeben. Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigtes zylindrisch gekrümmtes Blechteil ist in Anspruch 11 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass es fertigungstechnisch wesentlich einfacher ist, Taschenbereiche in das Blechteil einzubringen und die Stringer auf das Blechteil aufzubringen, wenn dieses ebenflächig und noch nicht gekrümmt ist. Für das Einbringen der Taschenbereiche lassen sich somit ganz andere Fertigungsverfahren verwenden, wie beispielsweise Fräsverfahren. Auch das Aufbringen der Stringer ist wesentlich einfacher, so dass auch dafür andere Fertigungsverfahren verwendet werden können. Wenn, wie erfindungsgemäß vorgesehen ist, erst danach das Blechteil gekrümmt wird, lässt sich auch eine deutlich höhere Fertigungsgenauigkeit erreichen. Zudem tritt, wenn die Stringer auf das Blechteil aufgeschweißt werden, was gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, ein sogenannter Zeppelineffekt deutlich weniger in Erscheinung, wenn das Aufschweißen im ebenflächigen Zustand erfolgt, d.h., Verformungen des Blechteils auf der der Schweißnaht gegenüberliegenden Oberfläche, die zu Störungen der Aerodynamik führen können, treten in geringerem Maße auf.

Anders als bei den bekannten Verfahren, bei denen das Blechteil plastisch verformt wird, um die geforderte Krümmung zu erzielen, wird erfindungsgemäß nur eine elastische Verformung vorgenommen, beispielsweise mit geeigneten Negativ- und Positiv-Formen, die das Blechteil in der gewünschten, zylindrisch gekrümmten Lage halten, bis in einem letzten Schritt die bereits vorgekrümmten Spanten auf das Blechteil aufgebracht werden. Diese Spanten halten somit das elastisch verformte Blechteil in seiner gekrümmten Form. Die Krümmung des Blechteils ist somit wesentlich einfacher zu bewerkstelligen als bei den bekannten Verfahren, bei denen eine dauerhafte, plastische Verfor mung vorgenommen werden muss. Außerdem ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, anders als mit dem bekannten Verfahren, bei denen das Blechteil plastisch verformt wird, die Verformung von unterschiedlich dicken Blechbereichen möglich.

Bevorzugt ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Stringer und die Spanten auf das Blechteil direkt aufgebracht werden, insbesondere durch ein thermisches Verfahren wie Laserschweißen, Laserlöten oder Elektronenstrahlschweißen. Auch hybride Verfahren wie z.B. Lichtbogen und Laserverfahren sind denkbar. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Blechteil nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wird; grundsätzlich kann ein solches Aufschweißen jedoch bei allen anderen Fertigungsverfahren auch verwendet werden. Erfindungsgemäß wird also auf sogenannte Clips, also Verbindungsstücke zwischen Stringern und Spanten bzw. zwischen Stringern oder Spanten und Blechteil verzichtet; die Spanten und Stringer werden vielmehr direkt miteinander und direkt auf das Blechteil aufgeschweißt. Somit können viele Zwischenschritte für die Anbringung der Clips entfallen, was eine deutliche Zeitverkürzung in der Herstellung bedeutet. Außerdem führt der Wegfall der Clips zu einer Gewichtsreduzierung, da die Stringer und Spanten auch keinen speziellen Fuß zur Anbringung der Clips mehr benötigen.

Grundsätzlich können jedoch auch andere Verbindungsverfahren, wie beispielsweise Löten, Kleben, Nieten, Elektronenstrahlschweißen oder sonstige Fügeverfahren eingesetzt werden. Bevorzugt wird jedoch Laserschweißen, Laserlöten oder das oben angegebene Hybridverfahren eingesetzt, da diese besonders schnell und genau in der Fertigung sind.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Spanten Ausnehmungen aufweisen an Stellen, an denen sie oberhalb der Stringer verlaufen, und dass die Spanten direkt mit den Stringern verbunden werden. Die Spanten können also bei dieser Ausgestaltung auch direkt zwischen den Stringern mit dem Blechteil verbunden werden und verlaufen nicht in einem gleichmäßigen Abstand oberhalb des Blechteils und über die Stringer hinweg, wie dies bei manchen bekannten Verfahren der Fall ist. Damit wird eine Integralbauweise erreicht, bei der die Spanten und die Stringer direkt, dauerhaft und ohne Clips miteinander verbunden sind, was bislang mit den bekannten Verfahren nicht erreicht werden konnte.

Bei dieser Ausgestaltung ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass die Spanten mit den durch die Ausnehmungen verlaufenden Stringern verschweißt oder verlötet werden, insbesondere am dem Stringer zuweisenden, im wesentlichen parallel zum Blechteil verlaufenden Rand einer Ausnehmung mit der diesem Rand zuweisenden Kante des Stringers. Falls aus Festigkeitsgründen erforderlich, lässt sich die Naht zwischen Stringer und Spant auch fortsetzen, bis maximal der Fuß des Stringers erreicht ist. Die vorzugsweise zum Schweißen verwendeten Verfahren, nämlich Laserschweißen, Laserhybridschweißen und Schutzgasschweißen, weisen eine höhere Spaltüberbrückbarkeit auf, so dass auch ein größerer, bislang nicht überbrückbarer Spalt zwischen Stringer und Spant im Bereich der Ausnehmung überbrückt werden und der Stringer mit dem Spant dort verschweißt werden kann.

Um eine besonders große Fertigungs- und Positionierungsgenauigkeit zu erzielen und um zu erreichen, dass die auf einem Blechteil aufgebrachten Stringer und Spanten passgenau zu den Stringern und Spanten benachbarter Blechteile bei dem Zusammensetzen der Außenhaut des Flugkörpers zusammenpassen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die erhabenen Sockelbereiche zwischen den Taschenbereichen wenigstens teilweise eine Nut aufweisen zum Einbringen einer Kante der dort aufzubringenden Spanten bzw. Stringer. Diese Nuten können durchgehend oder auch nur abschnittsweise erfolgen und dienen als Positionierungshilfe bei dem Aufbringen der Stringer bzw. Spanten. Außerdem kann die Nut vorteilhaft sein bei der Verwendung eines Laser(-hybrid-)schweißverfahrens.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Nut sind in den Ansprüchen 6 und 8 angegeben. Durch entsprechend ausgestaltete Nuten kann ein Ausgleich von Toleranzspielen erfolgen. Die Nuten können auch mit Zusatzdraht aufgefüllt werden, um eine gleichmäßige Elementeverteilung in die Tiefe zu bewirken. Fer ner können die Nuten benutzt werden zur Beeinflussung des thermischen Verhaltens.

Die konkrete Ausgestaltung der Nut, ggf. im Zusammenhang mit einer entsprechenden Ausgestaltung der in die Nut einzubringenden Kante des Spants bzw. Stringers, ermöglicht es des weiteren, den Anstellwinkel der Laserköpfe zum Schweißen in geeigneter Weise zu verändern. So kann beispielsweise mittels einer trichterförmigen Nut und angespitzten Kanten erreicht werden, dass die Laserköpfe beim Laserschweißen schräger (senkrechter zum Außenhaut-Blechteil) angestellt werden können. Bei anderen Nuten kann dagegen ein flacheres Anstellen der Laserköpfe erreicht werden, was sich z.B. für das Einseitenschweißen als vorteilhaft erweist. Bei manchen Ausgestaltungen von Nuten kann ein Zusatzdraht völlig entfallen. Schließlich kann auch ein verbessertes Ermüdungsverhalten erreicht werden.

Das Aufbringen eines Spants erfolgt gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung mit folgenden Schritten:

d1) Auflegen des Spantes auf den durch die Ausnehmung verlaufenden Stringer und Einbringen einer Kante des Spants in die im entsprechenden Spanten-Sockelbereich vorgesehene Nut,
d2) Verschweißen oder Verlöten der in die Nut eingebrachten Kante des Spants mit dem Spanten-Sockelbereich und
d3) Verschweißen oder Verlöten des dem Stringer zuweisenden, im wesentlichen parallel zum Blechteil verlaufenden Randes einer Ausnehmung des Spants mit der diesem Rand zuweisenden Kante des durch die Ausnehmung verlaufenden Stringers.

Dabei entsteht eine sogenannte Doppelpassung. Die Nut, in die ein Spant eingebracht wird, weist etwas Luft auf, wenn der Spant auf die in der Ausnehmung darunter liegenden Stringer aufgelegt wird, so dass in jedem Fall verhindert wird, dass an der Schweißnaht zwischen Stringer und Spant in dieser Ausnehmung ein Luftspalt verbleibt. Damit ist die Doppelpassung aufgehoben. Gegebenenfalls kann ein in den Nuten verbleibender Luftspalt mit zusätzlichem Material (z.B. Lot) vor oder beim Verschweißen – u.a. auch durch Hybridverfahren – aufgefüllt werden. Mit dieser Ausgestaltung kann eine besonders zuverlässige Verbindung zwischen Stringer und Spant erreicht werden. In einer Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass in Schritt d3 bis zum Fuß des Stringers weiterführend geschweißt oder gelötet wird.

Eine entsprechende Fertigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 10 angegeben. Diese kann wesentlich einfacher ausgestaltet sein als bekannte Fertigungsvorrichtungen, da ja die Fertigungsschritte teilweise noch mit dem ebenflächigen Blechteil erfolgen. Die Taschenbereiche können somit beispielsweise mittels einer geeigneten Fräsvorrichtung eingebracht werden. Selbstverständlich können aber auch, wie bei dem bekannten Verfahren, chemisch abtragende Verfahren eingesetzt werden. Das Aufbringen der Stringer und Spanten erfolgt bevorzugt durch Schweißvorrichtungen, insbesondere Laserschweißvorrichtungen. Zum elastischen Verformen des mit den Stringern versehenen Blechteils zur Einbringung der gewünschten Krümmung können beispielsweise Negativ-Formen verwendet werden, in die das ebenflächige Blechteil eingelegt wird, auf das dann mit einer entsprechenden Positiv-Form gedrückt und somit gegen die Negativ-Form gepresst wird. In diesem Zustand wird das Blechteil ggf. mit geeigneten Klemmmitteln festgehalten, bis die (kreisförmig) gekrümmten Spanten aufgebracht sind, die das Blechteil dann, beispielsweise durch Fügen mit dem Laserstrahl in seiner gekrümmten Form festhalten.

Eine ähnliche Vorrichtung ist beispielsweise in der DE 100 05 348 A1 im Zusammenhang mit der Fertigung von Nasenstrukturen für aerodynamische Flächen beschrieben. Hinzuweisen ist insbesondere auf die dort in den 3 bis 5 gezeigten Maßnahmen zur Einbringen der Krümmung in die Nase. Derartige Mittel können auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.

Für die bekannten Blechteile werden zwar teilweise auch Schweißverfahren verwendet, es sind jedoch immer Clips zur indirekten Verbindung zwischen Stringern und Spanten, zwischen Stringern und Blechteil und/oder zwischen Spanten und Blechteil vorgesehen. Um fertigungstechnisch ein Blechteil eines Flugkörpers einfacher herstellen zu können, wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Stringer und Spanten auf das Blechteil, insbesondere durch Laserschweißen, Laserlöten oder durch ein Laserhybridverfahren, direkt aufzuschweißen. Ein entsprechendes zylindrisch gekrümmtes Blechteil ist in Anspruch 10 angegeben. Dieses kann natürlich, wie oben bezüglich des Fertigungsverfahrens und der Fertigungsvorrichtung angegeben, in entsprechender Weise vorteilhaft weitergebildet sein. Insbesondere ist ein solches Blechteil ein Blechteil eines Flugkörpers, insbesondere des Rumpfes, des Leitwerks oder der Flügelnase eines Flugzeugs. Ferner werden solche Blechteile im Transportwesen als Leichtbaukomponenten, beispielsweise für Schalen, eingesetzt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein bekanntes Außenhaut-Blechteil des Rumpfes eines Flugzeugs in Nietkonstruktion,
2 ein erfindungsgemäßes Außenhaut-Blechteil des Rumpfes eines Flugzeugs in Schweißkonstruktion,
3 bis 8 unterschiedliche Ausgestaltungen von erfindungsgemäß verwendeten Nuten zum Aufnehmen von Stringern bzw. Spanten.
1 zeigt ein bekanntes, mit Spanten und Stringern versehenes Außenhaut-Blechteil 10 des Rumpfes eines Flugzeugs, das nach einem bekannten Fertigungsverfahren hergestellt wurde. Zu erkennen ist die Krümmung des Außenhaut-Blechteils 10, die der Krümmung des Rumpfes des Flugzeugs entspricht. Zu erkennen sind weiter zwei parallel zueinander und in Längsrichtung des Rumpfes des Flugzeugs verlaufende Stringer 11 sowie ein quer dazu verlaufender Spant 12, der dieselbe Krümmung aufweist wie das Außenhaut-Blechteil 10. Die Stringer 11 sind direkt auf das Außenhaut-Blechteil 10 aufgebracht, beispielsweise wie im gezeigten Fall aufgenietet. Der Spant 12 ist ebenfalls in Teilbereichen direkt auf das Außenhaut-Blechteil 10 aufgenietet. In anderen Bereichen, in denen der Spant 12 über die Stringer 11 führt, weist der Spant 12 Ausnehmungen 13 auf, durch die die Stringer 11 jeweils hindurchführen. An diesen Ausnehmungen ist der Spant 12 indirekt mit den Stringern 11 verbunden mittels sogenannter Clips 14, die jeweils an dem Spant 12 bzw. den Stringern 11 angenietet sind.
Die Herstellung eines derartigen Außenhaut-Blechteils 10 erfolgt in der Reihenfolge, dass zunächst das reine Außenhaut-Blechteil, das sich noch in ebenflächigem Zustand befindet, plastisch gekrümmt wird, so dass die Krümmung dauerhaft in den Außenhaut-Blechteil 10 verbleibt. Dies kann beispielsweise mittels eines Streckziehverfahrens erfolgen. Danach werden die Stringer 11 und danach schließlich der Spant 12 aufgebracht. Dieses Aufbringen der Stringer 11 und des Spants 12 auf das gekrümmte Außenhaut-Blechteil ist jedoch fertigungstechnisch nicht optimal und kann zu Ungenauigkeiten führen, so dass beim Zusammensetzen mehrerer Außenhaut-Blechteile Stringer und/oder Spanten möglicherweise nicht exakt aneinander stoßen und deren Position zuweilen im Nachhinein mechanisch korrigiert werden muss. Auch wenn statt eines Nietverfahrens andere Verfahren zum Anbringen der Stringer und/oder Spanten benutzt werden, wie beispielsweise Schweißen, Kleben oder Löten, lassen sich Fertigungsprobleme nicht vollständig vermeiden. So gibt es beispielsweise Schwierigkeiten bei der Form- und Maßhaltigkeit. Ferner treten bei bekannten Verfahren auch erhöhte Eigenspannungen in dem Blechteil auf, die bevorzugt vermieden werden sollen.
Ein erfindungsgemäßes, mit Spanten und Stringern versehenes Außenhaut-Blechteil 20 des Rumpfes eines Flugzeugs, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, ist in 2 gezeigt. Auch bei dieser Ausgestaltung sind zwei parallel zueinander angeordnete, in Längsrichtung des Rumpfes verlaufende Stringer 21 und ein quer dazu verlaufender Spant 22 auf dem Außenhaut-Blechteil 20 direkt angebracht, im gezeigten Fall aufgeschweißt. In Bereichen oberhalb der Stringer 21 weist der Spant 22 ebenfalls Ausnehmungen 23 auf. Außerdem weist das Außenhaut-Blechteil 20 ebenfalls eine Krümmung auf, die der Krümmung des Rumpfes des Flugzeugs entspricht.
Anders als das in 1 gezeigte Außenhaut-Blechteil 10 wird das in 2 gezeigte erfindungsgemäße Außenhaut-Blechteil 20 hergestellt, indem zu nächst in das noch ebenflächige Außenhaut-Blechteil 20 sogenannte Taschenbereiche 24 eingebracht werden in Bereichen, in denen weder Stringer 21 noch der Spant 22 auf das Außenhaut-Blechteil 20 aufgebracht werden. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines Fräsverfahrens, kann jedoch auch mit anderen Verfahren, beispielsweise durch ein chemisches Ätzverfahren erfolgen. In diesen Taschenbereichen 24 weist das Außenhaut-Blechteil 20 somit eine geringere Dicke auf als in den verbleibenden sogenannten Sockelbereichen, nämlich den Stringer-Sockelbereichen 25, in welche die Stringer 21 angeordnet werden, und dem Spanten-Sockelbereich 26, in welchem später der Spant 22 angeordnet wird.
Danach werden, ebenfalls noch in ebenflächigem Zustand des Außenhaut-Blechteils 20, die Stringer 21 in den Stringer-Sockelbereichen 25 aufgebracht, in vorliegendem Beispiel durch Laserschweißen aufgeschweißt. Dazu ist in den Stringer-Sockelbereichen 25 jeweils eine Nut 27 vorgesehen, die vor oder nach Einbringung der Taschenbereiche 24 in das Außenhaut-Blechteil 20 dort eingebracht, beispielsweise durch Fräsen, wurde. In diese Nut 27 wird dann die untere Kante des Stringers 21 eingefügt, so dass der Stringer exakt an der vorgesehenen Position sitzt, bevor er fest mit dem Außenhaut-Blechteil 20 verbunden wird.
Wenn die Stringer 21 auf das Außenhaut-Blechteil 20 aufgebracht sind, wird dieses sodann in biegeschlaffer Richtung elastisch verformt, um die gewünschte Krümmung einzubringen. Dies kann beispielsweise mittels einer geeigneten Negativ-Form erfolgen, in die das Außenhaut-Blechteil 20 mittels einer Positiv-Form eingedrückt wird. In dieser mechanisch erzwungenen gekrümmten Form des Außenhaut-Blechteils 20 wird dann der bereits vorgekrümmte Spant 22 in dem dafür vorgesehenen Spanten-Sockelbereich 26 aufgebracht. Um auch dabei eine möglichst große Positionsgenauigkeit zu erreichen, ist in dem Spanten-Sockelbereich 26 ebenfalls eine Nut 28 vorgesehen, in die die Unterkante des Spants 22 eingefügt wird, bevor der Spant 22 fest mit dem Außenhaut-Blechteil 20 durch einen Fügeprozess verbunden wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass nicht nur die Stringer 21 bzw. der Spant 22 jeweils direkt mit dem Außenhaut-Blechteil 20 verbunden, bevorzugt verschweißt werden, sondern dass auch der Spant 22 direkt mit den Stringern 21 verbunden, bevorzugt verschweißt wird. Dies ist ebenfalls in 2 anhand der Schweißnähte 29 erkennbar, die im oberen Bereich der Ausnehmungen 23 jeweils die untere, parallel zur Oberfläche des Außenhaut-Blechteils 20 verlaufende Kante der Ausnehmung 23 des Spants 22 mit der oberen Kante der Stringer 21 verbinden und auf Wunsch auch weitergeführt werden können.
Das Aufbringen des Spants 22 erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt derart, dass der Spant 22 zunächst auf die Stringer 21 in den Ausnehmungen 23 aufgelegt wird, wobei die Unterkante in die Nut 28 eingebracht wird. Die Nut 28 ist dabei derart tief ausgestaltet, dass keinesfalls Luft zwischen Spant 22 und Stringer 21 im Bereich der Ausnehmungen 23, in dem die Schweißnähte 29 angebracht werden sollen, verbleibt, sondern dass allenfalls Luft unterhalb der Unterkante des Spants 22 innerhalb der Nut 28 verbleibt. Sodann wird der Spant 22 mit den Stringer 21 durch eine Schweißnaht 29 verbunden, vorzugsweise mittels Laserschweißen, Laserlöten oder Hybridschweißen. Erst danach wird der Spant 22 mit dem Außenhaut-Blechteil 20 an der Schweißnaht 30, erneut vorzugsweise mittels Laserschweißen oder Laserlöten, verbunden.
Die Nuten 27 und 28 können durchgehend oder auch nur abschnittsweise vorgesehen sein. In einer ersten Ausgestaltung weist die Nut, wie in 3a (vor dem Verschweißen) gezeigt, einen rechteckigen Querschnitt auf. 3b zeigt die Schweißnaht 30, die sich nach dem Fügen ergibt. Der Vorteil hierbei ist, dass eine geringe Wärmezufuhr zum Verschweißen erforderlich ist. 3c zeigt eine alternative Schweißnaht 30'', die sich ergibt, wenn der in 3a gezeigte und mit 26'' bezeichnete Spanten-Sockelbereich wesentlich schmaler ist als der originale Spanten-Sockelbereich 26, was durch die gepunktete Linie angedeutet ist. Beim Schweißen braucht dann nämlich kein zusätzliches Material, also kein Zusatzdraht, verwendet zu werden, sondern es werden die Schultern des Spanten-Sockelbereichs 26'' direkt abgeschmolzen. Bei dieser Lösung ergibt sich somit auch ein geringeres Gewicht, und der Prozess wird vereinfacht.
Neben der durch die Nuten erreichbaren Positionsgenauigkeit der Stringer 21 bzw. des Spants 22 ermöglichen diese Nuten im Zusammenhang mit den Sockelbereichen ein verbessertes Verschweißen, da die Schweißeinheit(en), also beispielsweise ein zum Schweißen verwendeter Laser, nahezu senkrecht bis winkelig (z.B. bis ca. 45°) an die Schweißstelle, wie beispielhaft in 3a gestrichelt für einen Laser 50 ohne integrierte Drahtzufuhr gezeigt ist, herangeführt werden kann. Die Schweißeinheit muss also nicht, wie üblich, unter einem deutlich geringeren Winkel schräg seitlich zur Schweißstelle herangeführt werden wie dies ebenfalls in 3 für einen Laser 40 gezeigt ist, was zu einer deutlichen Verringerung des sogenannten Zeppelineffekts führt, also weniger Verformungen an der der Schweißstelle gegenüberliegenden Oberfläche des Außenhaut-Blechteils mit sich bringt. Weiterhin kann durch geeignete Nutausbildung der Zusatzdraht zum Fügen entfallen. Eine Verbesserung des Ermüdungsverhaltens ist ebenfalls erreichbar.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass, wie in 3d gezeigt ist, insbesondere bei Stringern zur Anbringung in einer Nut 27 eines Stringer-Sockelbereichs 25 einen verbreiterten Fußbereich 21a aufweist, der direkt bis auf den Boden der Nut 27 aufgelegt wird. Mittels symbolisch gezeigter Laserschweißeinheiten 40 kann ein solcher Stringer in die Nut eingeschmolzen werden, ohne dass zusätzliches Schweißmaterial eingebracht werden muss.
Eine Ausgestaltung einer Nut 32 mit trichterförmigem Querschnitt ist in 4 gezeigt. Zum Verschweißen bei einem derartigen Querschnitt wird bevorzugt zusätzliches Material, also beispielsweise Pulver, Draht oder Lot, eingebracht, was bevorzugt auch vorab erfolgt. So können beispielsweise Streifen vorab in die Nut eingelegt werden, die dann beim Schweißen mit verschmolzen werden. In der gezeigten Ausgestaltung weist die Unterkante des Spants 22 einen rechteckigen Querschnitt auf, die Unterkante kann jedoch auch keilförmig angespitzt sein (mit einem dem Winkel des Trichters der Nut 32 angepassten Winkel), um ein Schweißen mit schräg von oben angestellten Laserköpfen zu ermöglichen.
Eine weitere Ausgestaltung mit einer Negativ-Nut 33, die exemplarisch auf einem Spanten-Sockelbereich 26 gezeigt ist, ist in 5a (vor dem Verschweißen) und 5b (nach dem Verschweißen) gezeigt. Der Spant 22 weist dabei eine der Positiv-Nut 33, die beispielsweise als rechteckförmige Erhebung ausgebildet sein kann, korrespondierende Negativ-Nut 22a im Fußbereich auf. Bevorzugt wird in die Lücke zwischen Fußbereich des Spant 22 und Oberfläche der Positiv-Nut 33 bzw. des Spanten-Sockelbereichs 26 Zusatzmaterial zum Verschweißen mit eingebracht. Mit einer solchen Ausgestaltung kann ggf. das sogenannte Damage-Toleranzverhalten der Verbindung verbessert und somit das Fortschreiten von Rissen besser verhindert werden. Die sich bei diesem Schweißverfahren ergebene Schweißnaht 34 ist in 5b gezeigt.
Eine weitere Ausgestaltung von Nuten, die sich insbesondere zum Verschweißen von Stringern 21 eignet, ist in 6 gezeigt. Dort sind in die Oberfläche des Stringer-Sockelbereichs 25 zwei parallel, rillenförmig verlaufende Nuten 35 eingebracht, in die entsprechende Vorsprünge 21b im Fußbereich des Stringers 21 eingreifen. Eine derartige Ausgestaltung ist zur Erzielung geringer Toleranzabweichungen geeignet. Dabei ergibt sich auch nur ein geringer Materialabtrag, und dieses Verfahren eignet sich auch für Lötverfahren.
Eine weitere Ausgestaltung, die sich ebenfalls bevorzugt zum Anbringen von Stringern eignet, ist in 7a gezeigt. Dabei ist die Oberfläche des Stringer-Sockelbereichs 25 stufenförmig mit einer Stufe 36 ausgebildet. Eine entsprechende Stufe 21b weist der Fuß des Stringers 21 auf. In einem zwischen Fuß des Stringers 21 und Oberfläche des Stringer-Sockelbereichs 25 verbleibenden Spalt kann zum Löten oder Schweißen zusätzliches Material 45 eingebracht werden, so dass nach dem Löten bzw. Schweißen kein Spalt mehr verbleibt. Es muss hierbei nicht beidseitig geschweißt/gelötet werden, sondern es kann auch nur einseitig in Position I oder II gelötet werden. Über Spannvor richtungen (z.B. Druckrollen) kann der Spalt auf Null gesetzt werden, wie dies in 7b gezeigt ist.
8 zeigt eine Ausgestaltung, bei der zwischen Oberseite des Stringers 21 und Unterseite des darüber verlaufenden Spants 22 ein Luftspalt 60 verbleibt, bei der also der Stringer 21 vollständig in die Nut in dem zugehörigen Stringer-Sockelbereich 25 eingesetzt ist. Zum Verbinden des Stringers 21 mit dem Spant 22 wird deshalb bevorzugt Zusatzmaterial (verfahrensabhängig) eingefügt. Eine derartige Ausgestaltung des Fügeverfahrens erlaubt die Überbrückung dieses Spalts 60. Probleme der weiter oben beschriebenen Doppelpassung können somit durch ein geeignetes Hybridschweißverfahren, z.B. MIG+Laser, oder durch ein Schutzgasverfahren allein mit geregelter Drahtzufuhr behoben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Herstellung von Rumpfteilen eines Flugzeugs verwendet. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch verwendet werden im Transportwesen für Leichtbaukomponenten, wie beispielsweise Schalen, oder auch zur Herstellung von Außenhaut-Blechteilen für Flügelnasen oder Leitwerke bei Flugzeugen.

Claims

Verfahren zur Fertigung eines mit Spanten und Stringern versehenen zylindrisch gekrümmten Blechteils, insbesondere eines Außenhaut-Blechteils eines Flugkörpers, mit den Schritten: a) Einbringen von Taschenbereichen in Bereichen einer Oberfläche eines ebenflächigen Blechteils, in denen keine Spanten und/oder Stringer aufgebracht werden, so dass das Blechteil dort eine geringere Dicke aufweist als in Sockelbereichen, in denen Spanten und/oder Stringer aufgebracht werden, b) Aufbringen von einem oder mehreren im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Stringern auf das ebenflächige Blechteil in erhabenen Stringer-Sockelbereichen zwischen den Taschenbereichen, c) elastisches Verformen des mit den Stringern versehenen Außenhaut-Blechteils, so dass das Blechteil die gewünschte Krümmung aufweist, d) Aufbringen von einem oder mehreren im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zu den Stringern angeordneten, dieselbe Krümmung wie das gekrümmte Blechteil aufweisenden Spanten auf das gekrümmte Blechteil in erhabenen Spanten-Sockelbereichen zwischen den Taschenbereichen, so dass das Blechteil im gekrümmten Zustand verbleibt.
Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, zur Fertigung eines mit Spanten und Stringern versehenen zylindrisch gekrümmten Blechteils eines Flugkörpers, insbesondere eines Außenhaut-Blechteils eines Flugkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass die Stringer und die Spanten auf das Blechteil direkt aufgebracht werden, insbesondere durch ein thermisches Verfahren wie das Laserschweißen, Laserlöten, Laserhybridschweißen oder Elektronenstrahlschweißen aufgeschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanten Ausnehmungen aufweisen an Stellen, an denen sie oberhalb der Stringer verlaufen, und dass die Spanten direkt mit den Stringern verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanten mit den durch die Ausnehmungen verlaufenden Stringern verschweißt oder verlötet werden, insbesondere am dem Stringer zuweisenden, im wesentlichen parallel zum Blechteil verlaufenden Rand einer Ausnehmung mit der diesem Rand zuweisenden Kante des Stringers.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erhabenen Sockelbereiche zwischen den Taschenbereichen wenigstens teilweise eine Nut aufweisen zum Einbringen einer Kante der dort aufzubringenden Spanten bzw. Stringer.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut einen trichterförmigen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Einbringen in die Nut vorgesehene Kante der Spanten bzw. Stringer entsprechend keilförmig angespitzt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Negativ-Nuten auf dem Blechteil aufgebracht werden, die von entsprechenden Positiv-Nuten der dort aufzubringenden Spanten bzw. Stringer umschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen eines Spants mit folgenden Schritten erfolgt: d1) Auflegen des Spantes auf den durch die Ausnehmung verlaufenden Stringer und Einbringen einer Kante des Spants in die im entsprechenden Spanten-Sockelbereich vorgesehene Nut, d2) Verschweißen oder Verlöten der in die Nut eingebrachten Kante des Spants mit dem Spanten-Sockelbereich und d3) Verschweißen oder Verlöten des dem Stringer zuweisenden, im wesentlichen parallel zum Blechteil verlaufenden Randes einer Ausnehmung des Spants mit der diesem Rand zuweisenden Kante des durch die Ausnehmung verlaufenden Stringers.
Vorrichtung zur Fertigung eines mit Spanten und Stringern versehenen zylindrisch gekrümmten Blechteils, insbesondere eines Außenhaut-Blechteils eines Flugkörpers, mit: a) Mitteln zum Einbringen von Taschenbereichen in Bereichen einer Oberfläche eines ebenflächigen Blechteils, in denen keine Spanten und/oder Stringer aufgebracht werden, so dass das Blechteil dort eine geringere Dicke aufweist als in Sockelbereichen, in denen Spanten und/oder Stringer aufgebracht werden, b) Mitteln zum Aufbringen von einem oder mehreren im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Stringern auf das ebenflächige Blechteil in erhabenen Stringer-Sockelbereichen zwischen den Taschenbereichen, c) Mitteln zum elastischen Verformen des mit den Stringern versehenen Außenhaut-Blechteils, so dass das Blechteil die gewünschte Krümmung aufweist, d) Mitteln zum Aufbringen von einem oder mehreren im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zu den Stringern angeordneten, dieselbe Krümmung wie das gekrümmte Blechteil aufweisenden Spanten auf das gekrümmte Blechteil in erhabenen Spanten-Sockelbereichen zwischen den Taschenbereichen, so dass das Blechteil im gekrümmten Zustand verbleibt.
Zylindrisch gekrümmtes Blechteil, wobei auf das gekrümmte Außenhaut-Blechteil in erhabenen Sockelbereichen zwischen Taschenbereichen, in denen das Außenhaut-Blechteil eine geringere Dicke aufweist als in den Sockelbereichen, ein oder mehrere im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Stringer und ein oder mehrere im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zu den Stringern angeordnete Spanten aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stringer und die Spanten auf das Blechteil direkt aufgebracht sind, insbesondere durch ein thermisches Verfahren wie Laserschweißen, Laserlöten, Laserhybridschweißen oder Elektronenstrahl schweißen aufgeschweißt sind.
Blechteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechteil ein Außenhaut-Blechteil eines Flugkörpers, insbesondere des Rumpfes, des Leitwerks oder der Flügelnase eines Flugzeugs, ist.