Die vorliegende Erfindung betrifft ein lasttragendes Faserverbundstrukturbauteil in Hohlkastenbauweise, insbesondere zur Verwendung in der Luft- und Raumfahrttechnik.

Hierzu zählen im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere Fahrwerkskomponenten, welche naturgemäß hohen mechanischen Belastungen, aber - wie bei der Verwendung in der Raumfahrt - auch hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Fahrwerkskomponenten weisen aufgrund des begrenzten vorhandenen Bauraums, insbesondere bei einziehbaren Fahrwerken mit ineinander greifenden Komponenten, häufig eine komplexe, verzweigte Struktur auf.

Solche Fahrwerkskomponenten werden derzeit als Metallbauteile ausgeführt, beispielsweise in Form von Stahl- oder Aluminium- Schmiedeteilen. Hier sind den konstruktiven Besonderheiten von Fahrwerkskomponenten, insbesondere als komplexe, verzweigte Struktur, bei der Herstellung wenig bis keine Grenzen gesetzt. Die Herstellungsdauer für Stahl- oder Aluminium-Schmiedeteile beträgt unter Umständen mehrere Monate, was nicht zuletzt auch die Produktionskosten und die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens beeinträchtigt.

Gegenüber den Metallen weisen Faserverbundwerkstoffe höhere spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten auf. So besitzen Faserverbundstrukturbauteile ein im Hinblick auf Transportkosten und Energieersparnis bedeutendes Masseeinsparungspotenzial. Neben hohen mechanischen Festigkeiten und Steifigkeiten können Faserverbundwerkstoffe je nach Auswahl des verwendeten Faser- und Matrixwerkstoffes auch eine hohe Thermostabilität besitzen.

Allerdings ist aufgrund der Herstellungsweise von Faserver- bund-Strukturbauteilen die Ausführung komplexer, insbesondere verzweigter, teilweise mit Hohlräumen versehener Strukturen mit engen Bauraumbegrenzungen, wie solche bei Fahrwerkskompo- nenten in Luft- und Raumfahrzeugen vorkommen, bisher nicht möglich gewesen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, hochbelastbare (lasttragende) Strukturbauteile mit komplexer, verzweigter Geometrie in integraler Faserverbundbauweise bereitzustellen, welche die bisher verwendeten metallischen Bauteile, auch teilweise, ersetzen können. Die lasttragenden Strukturen in Faserverbundbauweise müssen in der Lage sein, alle Anforderungen hinsichtlich Bauraumbeschränkung, Festigkeit, Stabilität, Steifigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Schadenstoleranz sowie Temperaturbelastbarkeit wie die metallischen Ausführungsformen oder besser zu erfüllen. Die Strukturbauteile in Faserverbundbauweise und die metallischen Ausführungen müssen -auch komponentenweise- gegeneinander austauschbar bzw. ersetzbar sein.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist damit vorrangig ein lasttragendes Faserverbundstrukturbauteil in Hohlkastenbauweise, wie es in Anspruch 1 definiert ist.

Das lasttragende Strukturbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt alle Anforderungen bezüglich Bauraumbeschränkung, Festigkeit, Stabilität, Steifigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Schadenstoleranz sowie Temperaturbelastbarkeit, weist eine deutlich geringere Strukturmasse auf und ist darüber hinaus schneller und kostengünstiger als die entsprechenden metallischen Ausführungsformen herzustellen.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Faserverbundstrukturbauteils ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8.

So bestehen die trockenen Faserhalbzeuge, aus welchen das Strukturbauteil aufgebaut wird, vorzugsweise aus mechanisch und/oder thermisch hoch belastbaren Fasern. Diese Fasern sind bevorzugt Kohlenstofffasern, können jedoch auch unter Glasfasern, Siliciumcarbidfasern, Mullitfasern, Borcarbidfasern, Aramidfasern oder sogar Naturfasern oder gegebenenfalls Mischungen daraus ausgewählt werden. Diese Aufzahlung ist nicht als abschließend aufzufassen.

Das Fasermaterial ist vorzugsweise unidirektional, gekreuzt und/oder multiaxial ausgerichtet und in seiner Anordnung wie üblich durch geeignete Maßnahmen, z.B. Kettfaden, fixiert.

Einzelne Faserhalbzeuge sind zu einem Schichtaufbau zusammengeführt, wobei die Einzelschichten entsprechend den Belastungen in der Struktur orientiert sind.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass zur Herstellung der Preformlinge die geschichteten, trockenen Faserhalbzeuge durch geeignete Methoden formstabil gehalten werden. Dazu wird beispielsweise ein Bindemittel verwendet, dass - in Pulverform auf den trockenen Faserhalbzeugen aufgebracht thermisch aktiviert wird und so eine Formstabilitat der Preformlinge ermöglicht.

Im Schichtaufbau im erfindungsgemaßen Strukturbauteil sind die Faserhalbzeuge in einer Matrix eingebettet. Dazu wird beispielsweise ein flussiges Harzsystem in den Schichtaufbau der Faserhalbzeuge infiltriert. Durch Aushärtung oder Abkühlung geht das Harz in den festen Aggregatzustand über und bildet so die Matrix, in der die Fasern fixiert sind.

Die Matrix basiert dabei vorzugsweise auf duroplastischen Harzsystemen, wie beispielsweise Epoxidharz oder Phenolharz, oder thermoplastischen Harzsystemen.

Für das beschriebene Strukturbauteil ist auch ein Faserverbundwerkstoff mit einer keramischen Matrix, beispielsweise auf Basis von Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Mullit oder Kohlen- stoff mit einem angepassten Fertigungskonzept denkbar.

Die Einzelelemente, welche im Wesentlichen die Geometrie des Bauteils bestimmen, sind vorzugsweise U-Profile, welche beim Ineinandersetzen quadratische oder gegebenenfalls rechteckige Querschnitte ergeben. Es sind jedoch auch andere Profile denkbar, beispielsweise können Profile vorgesehen werden, welche im Querschnitt zu einem runden oder ovalen Bauteil führen. Ebenso sind Misehformen, falls erforderlich, denkbar.

Das lasttragende (hoch belastbare) , zumeist dickwandige Faserverbundstrukturbauteil der vorliegenden Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es über sein Gesamtvolumen einen im Wesentlichen konstanten Faservolumengehalt von 60% ± 4 aufweist. Dieser Faservolumengehalt ist wesentlich für die Qualität des Faserverbundwerkstoffs und für die Belastbarkeit des Bauteiles verantwortlich. Die Einstellung dieses Merkmales geschieht durch die besondere Herstellungsweise des Faserverbundbauteils im Harzinjektionsverfahren mit einer geschlossenen Werkzeugform, in Verbindung mit den zusammengesetzten Einzelelementen - bestehend aus geschichteten Faserhalbzeugen - und genau angepassten Form- und Kernwerkzeugen.

Das erfindungsgemäße Faserverbundstrukturbauteil zeichnet sich ferner durch Wandstärken von 4 bis 30 mm, vorzugweise 20 mm, aus. Ein konstanter, hoher Faservolumengehalt von beispielsweise ^' 60% ±4 bei derart hohen Wandstärken lässt sich bei der Herstellung eines komplexen Faserverbundbauteils in Hohlkastenbauweise in einem geschlossenen Werkzeug nur durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Bauteils und der dazugehörigen Form- und Kernwerkzeuge verwirklichen.

Das erfindungsgemäße Faserverbundstrukturbauteil liegt insbesondere in Form einer Fahrwerkskomponente für Luft- und Raumfahrzeuge, insbesondere für eine im einziehbaren Fahrwerk wirkende obere Knickstrebe vor. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur integralen Herstellung eines lasttragenden Faserverbundstrukturbauteils mit komplexer, verzweigter Geometrie in Hohlkastenbauweise gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich hier aus den Unteransprüchen 12 bis 14. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Herstellung von Fahrwerkskomponenten für Luft- und Raumfahrzeuge, insbesondere von darin enthaltene obere Knickstreben mit naturgemäß komplexer, verzweigter Geometrie, verwendet.

Besonderheiten der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail erläutert .

Darin zeigt

Figur 1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils zur Veranschaulichung dessen Einzelelemente;

Figur 2 eine Zusammenstellung der Einzelelemente des Bauteils und der Kernwerkzeuge und Anordnung in einem Harzinjektionswerkzeug nach dem RTM-verfahren;

Figur 3 eine Schnittansicht durch das erfindungsgemäße Bauteil nach Figur 1 zur Veranschaulichung des Ineinandergrei- fens der Einzelelemente und Anordnung in einer Harzinjektionsform;

Figur 4 das fertige, bearbeitete Bauteil in zwei Ansichten als integrale, komplexe, verzweigte Struktur mit den entsprechenden Beschnitten.

Figur 1 ist eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundstrukturbauteils in Hohlkastenbauweise vor dem Beschneiden zur Veranschaulichung dessen Einzelelemente. Dargestellt ist der Aufbau einer oberen Knickstrebe für ein Bug- fahrwerk eines Luft- oder Raumfahrzeuges im nicht fertigen Zustand:

Eine solche obere Knickstrebe 1 ist aufgrund ihres Einsatzbereiches hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt und weist aufgrund der eigenen Funktion und der damit einhergehenden engen Bauraumbeschränkungen eine komplexe, im beschnittenen Zustand verzweigte Struktur auf.

Das Bauteil 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in Form der oberen Knickstrebe setzt sich wie in Figur 1 dargestellt aus insgesamt 10 Einzelelementen 2 bis 11 zusammen. Es handelt sich dabei um obere bzw. untere Abdeckplatten 2 bzw. 3 mit U-förmigem Profil, die sich jeweils von einem vorderen Abschnitt 12, respektive 12' zu einem hinteren Abschnitt 13 bzw. 13' verjüngen, wobei der Verlauf der Verjüngung in etwa S-förmig ist. Ferner sind in der Figur 1 obere ü-förmige Einzelelemente 4 und 5 sowie untere U-förmige Einzelelemente 6 und 7 dargestellt, die sich wieder von vorderen Abschnitten 14 respektive 15 bzw. 14', respektive 15' zu hinteren Abschnitten 16, respektive 16' gemäß einem in etwa S-förmigen Verlauf verjüngen. Mittels der Einzelelemente 4, 5, respektive 6 und 7 werden, wie später gezeigt, in dem herzustellenden Faserverbundstrukturbauteil Hohlkästen ausgebildet und dann durch Beschnitt insbesondere der oberen bzw. unteren Abdeckplatten 2 bzw. 3 eine verzweigte Gabelkontur heraus gearbeitet.

Ferner sind in Figur 1 Einleger 8 und 9 dargestellt, welche in den verjüngten Teil der Einzelelemente 6, respektive 7 oder 4, respektive 5 einsetzbar sind.

Ferner ist in Figur 1 ein Deckeleinsatz 11, in Form von zwei senkrecht gekreuzten I-Profilen, sowie ein I-förmiger Stegeinsatz 10 gezeigt, welche zur Versteifung und somit zur höheren Belastbarkeit des Strukturbauteils dienen. Alle Einzelelemente 2 bis 11 werden aus mehreren Lagen von zugeschnittenen Faserhalbzeugen hergestellt, indem die Faserhalbzeuge auf speziell hergestellten Preformwerkzeugen in geeigneter Weise abgelegt, vorkompaktiert und vorgeformt werden. Durch geeignete Maßnahmen wie z.B. thermisches Aktivieren eines in Pulverform aufgebrachten Bindemittels werden diese sogenannten Preformlinge kompaktiert und formstabil gehalten. Bei der Ablage der Faserhalbzeuge ist insbesondere auf eine festgelegte Ausrichtung und Verteilung der Fasern über dem Preformwerkzeug in allen Abschnitten Sorge zu tragen. In Verbindung mit den angepassten Kern- und Formwerkzeugen ist diese Maßnahme im Hinblick auf einen konstanten Faservolumengehalt im Endprodukt und eine gleichförmige Harzinfiltration wahrend des Harzinjektionsprozesses zu berücksichtigen.

Die Faserhalbzeuge können auf Kohlenstoff-, Glas-, Silicium- carbid-, Mullit-, Borcarbid-, Aramid- und/oder Naturfasern basieren. Diese Aufzahlung ist nicht beschrankend. Vielmehr können alle Fasermaterialien Anwendung finden, solange diese hohe mechanische und/oder thermische Belastungen aushalten. In jedem Falle werden derzeit Kohlenstofffasern bevorzugt. Die Fasern in den Faserhalbzeugen können unidirektional, gekreuzt und/oder multiaxial angeordnet sein. Die Ausrichtung der geschichteten Faserhalbzeuge im fertigen Faserverbundwerkstoff kann den sich aus der Belastungssituation ergebenden Bedurfnissen angepasst werden. Das Matrixmaterial im Faserverbundwerkstoff wird je nach beabsichtigter Verwendung des zu erzeugenden Bauteiles aus duroplastischen, thermoplastischen oder keramischen Materialien ausgewählt.

Jedes Einzelelement ist aus mehreren Lagen Faserhalbzeug aufgebaut, sodass nicht jede Lage auf demselben das Faserhalbzeug bildenden Fasertyp basieren muss. Faserverbundbauteile mit den Abmessungen einer Knickstrebe sind üblicherweise als flachige, versteifte Bauteile ausgeführt. Aufgrund der enormen Lasten, den engen Bauraumbeschrankungen und der Gewichtsanforderungen des Bauteiles ist dieses im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Kohlenstofffaser-Verbundbauteil in Hohlkastenbauweise mit verzweigter Geometrie ausgestaltet. Die Gewichtsanforderungen an das Bauteil ergeben sich aus den Anforderungen an ein Luftoder Raumfahrzeug, das aus Gründen der Energieeinsparung und anderen wirtschaftlichen Gründen eine möglichst große Nutzlast bei möglichst geringem Eigengewicht transportieren muss.

Die Herstellung eines Faserverbundbauteils in Hohlkastenbauweise mit den Abmessungen beispielsweise einer oberen Knickstrebe erfordert spezielle Maßnahmen, z.B. beim Harzinjektionsverfahren in einer geschlossenen Werkzeugform.

Diese Maßnahmen sind in Figur 2 veranschaulicht. Hier sind Teile eines Formwerkzeugs für das Harzinjektionsverfahren (RTM) mit der Bezugsziffer 17, angepasste Kernwerkzeuge (Stützkerne) mit Bezugsziffern 18, 18', 18' ', 18' ' ' und die Einzelkomponenten des in Hohlkastenbauweise herzustellenden Bauteils gezeigt. Eine Einzelkomponente ist die in das Formwerkzeug eingelegte untere Abdeckplatte 3. In der unteren Abdeckplatte 3 sieht man die unteren Einzelelemente 6 und 7 angrenzend an die Wand der Abdeckplatte 3 positioniert. Die Einzelteile 6 und 7 besitzen wie die untere Abdeckplatte 3 ein U-Profil. In das U-Profil der Einzelelemente 6 und 7 sind entfernbare Stützkerne 18, 18' eingelegt. Diese Stützkerne 18, 18' ,sind nach der Fertigstellung des Bauteils in Hohlkastenbauweise chemisch oder physikalisch entfernbar. Es kann sich dabei auch um eine Schlauchfolie handeln, die nach der Zusammenfügung aller Einzelelemente und dem Schließen des Harzinjektionswerkzeugs mit Druck beaufschlagt wird, welcher dem Druck beim Injizieren des Harzes entgegenwirkt. Wesentlich ist, dass die Stützmethode es ermöglicht, bei den hohen Injektionstemperaturen von bis zu 180 ⁰ C den Injektionsdrücken entgegenzuwirken, und dass das Stützmaterial nach Fertigstellung des Bauteiles vollständig entfernbar ist.

Im hinteren Abschnitt 16' der unteren Einzelelemente 6 und 7 mit U-Profil sind (nicht sichtbar) Einleger 8 und 9 in das Profil eingebracht, die einen Übergang von der Hohlkastenstruktur zu einem monolithischen (Lasteinleitungs-) Bereich im hinteren Teil 16' dienen. Ferner sind die Deckel- und Stegeinsätze 10 und 11 zur Versteifung der verzweigten Hohlkastenstruktur eingesetzt. Tatsächlich werden bei der Herstellung die Einzelelemente 6 und 7 zunächst, wie beschrieben, mit den Einlegern 8 und 9 sowie den Stützkernen 18 und 18' bestückt, dann werden die oberen Einzelelemente 4 und 5 jeweils darüber gestülpt und so zwei Kastenprofile hergestellt. Diese werden dann in der unteren Abdeckung 3 wie beschrieben abgelegt. Die Deckel- und Stegeinsätze 10 und 11 und weitere - später entfernbare - Stützkerne 18' ' und 18' ' ' werden eingesetzt und die obere Abdeckplatte 2 über alles gestülpt. Die zur Werkzeugform gehörenden Seitenteile 17 werden positioniert und anschließend das Werkzeug mit einem nicht dargestellten Deckel geschlossen, wodurch der gesamte Aufbau fixiert wird.

Nach Evakuierung des Bauteils und Aufheizen des Werkzeugs wird das Harzsystem unter Druck und Temperatur, welche für das Verfahren im üblichen Bereich liegen, injiziert. Als Injektionsharze eignen sich die bereits vorher beschriebenen thermoplastischen oder duroplastischen Harzsysteme, z.B. RTM6. Nach dem Injektionsvorgang wird bei duroplastischen Harzsystemen das Werkzeug auf etwa 180 ⁰ C weiter aufgeheizt und das Bauteil so ausgehärtet. Mit Ende der Aushärtung und vor Beginn der Abkühlphase wird das Werkzeug geöffnet, um möglichst die Fixierung der Komponenten zu lösen und eine Zerstörung des Bauteils durch unterschiedliches thermisches Schrumpfen des Bauteils und der Werkzeugform zu verhindern.

Nach dem Abkühlen wird das Bauteil aus der Form genommen und die Stützkerne in geeigneter Weise entfernt. Anschließend ist das Bauteil noch auf Endkontur zu bringen - wie in Figur 4 dargestellt. Insbesondere müssen die Abdeckplatten im vorderen Abschnitt unter Ausbildung eines Durchgriffs 19 (Fig. 4) zwischen den Abdeckplatten 2 und 3 ausgefräst werden. Hierdurch erhält das integrale, verzweigte Faserverbundstrukturbauteil erst seine endgültige Geometrie. Die Fertigstellungsmaßnahmen sind dem Fachmann jedoch geläufig und benötigen keine weitere Erläuterung.

In der Figur 3 ist ein Teil des erfindungsgemäßen Faserverbundstrukturbauteils in Hohlkastenbauweise im Schnitt gezeigt, wobei von der Vorderseite gesehen, die linke Hälfte des Bauteiles dargestellt ist. Hier wird deutlich das Ineinandergreifen der Einzelelemente 2, 3 und 5, 7 unter Ausbildung eines Hohlraumes gezeigt.

Es ist festzuhalten, dass das so erzeugte Strukturbauteil in Hohlkastenbauweise einer Nachbearbeitung bedarf, insbesondere müssen die Abdeckplatten im vorderen Abschnitt unter Ausbildung eines Durchgriffes zwischen den Abdeckplatten 2 und 3 ausgefräst werden. Die Fertigstellungsmaßnahmen sind dem Fachmann jedoch geläufig und benötigen keine weitere Erläuterung.

Die Figur 4 zeigt zwei perspektivische Ansichten eines fertigen, bearbeiteten Faserverbundstrukturbauteils 1 in Form einer oberen Knickstrebe für einziehbare Fahrwerke. Hier wird die komplexe, verzweigte Struktur eines solchen Bauteils deutlich. Es zeigt einen hinteren Abschnitt 20, der einen Übergang von einem Hohlprofil zu einem monolithischen Lasteinleitungsbereich bildet. Das Bauteil 1 gabelt sich ausgehend von diesem Abschnitt 20 zu einem vorderen Abschnitt 21, bei dem die Gabelelemente 22 vollständig als Hohlkasten ausgebildet sind. Stege 10 und 11 dienen zur Aussteifung der Struktur, wie oben ausgeführt. Zwischen den Stegen 10 und 11 und den vorgenannten Gabelelementen ist ein Durchgriff 19 geschaffen, durch welchen weitere Elemente eines einziehbaren Fahrwerks geführt werden können .