Die Erfindung betrifft ein metallisches, integrales Strukturbauteil mit verbesserter Restfestigkeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , sowie entsprechende Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung findet insbesondere in der Luftfahrttechnik Anwendung, beispielsweise bei mittels Versteifungsprofilen verstärkten Hautblechen.

Ein Großteil der Flugzeugstrukturen, wie z.B. Rumpf und Flügel wird aus metallischen Werkstoffen hergestellt. Um primär Steifigkeits- und

Festigkeitsanforderungen zu erfüllen, werden bekanntlich Hautbleche mit entsprechenden Versteifungsprofilen versehen. Beispielsweise wird die Außenhaut des Flugzeugrumpfes in Längsrichtung durch Stringer und in Umfangsrichtung mit Spanten verstärkt. Als Fügeverfahren dienen das Nieten oder Kleben, wobei von einer sogenannten differentialen Bauweise gesprochen wird.

Daneben sind integrale Strukturbauteile bekannt, bei denen eine direkte Verbindung zwischen Hautblech und Versteifungsprofilen beispielsweise mittels Laserschweißen (DE 196 39 667 C1 ) oder gleichzeitigem Extrudieren von Hautblech und Versteifungsprofilen hergestellt wird. Derartige integrale Strukturbauteile können aber auch mittels Gießen, Schmieden, Fräsen, Sintern oder anderen Urformverfahren hergestellt werden.

Integrale Strukturbauteile, beispielsweise in Form von Hautblech-Stringer- Strukturen, werden als Rumpfschalen in Flugzeugen verwendet. Als Folge von statisch als auch zyklisch auftretenden mechanischen Belastungen können sich Risse in dem verstärkten Hautblech bilden und ausbreiten. Um Schädigungszustände dieser Art im Flugzeugentwurf zu berücksichtigen, werden sowohl Anforderungen an das (dynamische bzw. zyklische)

Rissfortschrittsverhalten als auch an das (quasi statische) Restfestigkeitsverhalten

des Bauteils gestellt. Das geforderte Schadenstoleranzverhalten ist u.a. davon abhängig, wie sich ein senkrecht zur Versteifung ausbreitender Hautriss verhält, wenn er auf diese trifft.

Im Fall einer differentialen Bauweise läuft der Hautriss unter der Versteifung hindurch. Die Versteifung bleibt aber unbeschädigt und überbrückt den Riss, so dass als positiver Effekt der Riss in seiner weiteren Ausbreitung behindert wird. Bei einer solchen Differentialbauweise wirken die genieteten oder verklebten Versteifungen als Rissstopper bzw. Rissverzögerer. Der Rissfortschritt in der Rumpfbeplankung wird gestoppt bzw. verzögert, da die Rissspitze durch die genietete oder geklebte Versteifung über eine bestimmte Anzahl von Lastwechseln zusammengehalten wird. Gleichzeitig bleibt die Restfestigkeit des angerissenen Bauteils auf einem hohen Niveau, da die unbeschädigte Versteifung weiterhin ein Teil der statischen Gesamtlast übernehmen kann.

Im Gegensatz dazu teilt sich im Fall einer integralen Bauweise die Rissspitze im Fußbereich der Versteifung in einen Hautriss und einen Versteifungsriss auf, und beide Risse breiten sich in den Teilkomponenten aus. Eine durch einen Teilanriss geschädigte Versteifung besitzt im Gegensatz zu einem differential angebrachten Versteifungsprofil prinzipiell sowohl eine reduzierte Festigkeit als auch eine reduzierte Steifigkeit. Dadurch erfolgt kein effektives Zusammenhalten des Hautrisses, so dass dieser in seiner weiteren Ausbildung unzureichend behindert wird. Dieses Verhalten führt zu einer verminderten Restfestigkeit und zu einem ungünstigen Rissfortschrittsverhalten.

Zur Verbesserung des Rissfortschrittsverhaltens kommen bisher Aufdickungen und Verstärkungen zum Einsatz.

In EP-A-1 323 631 wird zur Verbesserung des Rissfortschrittsverhaltens integraler Strukturen die Verwendung einer separaten Komponente, die in das

Versteifungsprofil zur Bildung einer internen Grenzfläche eingebracht ist, vorgeschlagen.

Ferner ist in EP-A-1 291 279 und EP-A-1 166 950 beschrieben, dass durch gezieltes Einbringen eines separaten Bauteils nicht durch integrale Maßnahmen, sondern durch gezieltes Anordnen einer Differentialbauweise, das Schadenstoleranzverhalten, insbesondere hinsichtlich Rissfortschritt und Restfestigkeit, verbessert werden kann.

Darüber hinaus schlägt EP 1 100 636 B1 die Aufdickung des Versteifungsprofils im Fußbereich vor.

DE-A-103 31 990 beschreibt zur Unterbindung der dynamischen Rissausbreitung eine schmale metallisch induzierte Feinkornzone, um eine gezielte Rissablenkung entlang der Verbindungslinie bzw. Schweißnaht von Hautblech und Versteifungsprofil hervorzurufen.

Folglich wird im Stand der Technik die Rissproblematik meist nur in Verbindung mit lokalen Verstärkungen betrachtet, wobei man versucht den oder die Risse durch Spannungsreduktion aufzuhalten oder abzulenken, oder die Risse entlang einer Grenzfläche „totlaufen" lässt. Zudem richten sich die bekannten Lösungen primär auf die Reduzierung des dynamischen Rissfortschrittes, nicht aber auf die Verbesserung des Verhaltens unter statischer Belastung.

Neben dynamischen Lasten während des Flugbetriebes gibt es im Flugzeug viele Bereiche, deren Dimensionierung durch statische Lasten (bzw. Lastannahmen) erfolgen oder welche teilweise für die Flugzeugzulassung nachgewiesen werden müssen. Dies ist beispielsweise der Restfestigkeitsnachweis über die tragbaren Lasten in einer Druckrumpfstruktur in Gegenwart eines „großen Risses". Zudem sind in Notsituationen oder bei Unfällen statische Belastungen im bzw. am

Flugzeug möglich, die ebenfalls Schäden mit beträchtlichem Ausmaß erzeugen

können, was zum Startabbruch oder zu einer Notbremsung führen kann. Auch hier ist die größte anzunehmende Schädigung neben einer lokalen Verformung die Ausbildung eines oder mehrere Risse (teilweise sogar verdeckt und somit nicht sofort erkennbar), die im Flugbetrieb wiederum katastrophale Folgeeffekte für Mensch und Maschine haben können. Die Rissbildung bzw. -ausbreitung ist immer dann kritisch, wenn die Flugzeugstruktur lokal nicht in der Lage ist, diese zu unterdrücken oder derart zu verzögern, dass die Betriebssicherheit des Flugzeuges noch gegeben ist. Heutige metallische Flugzeugstrukturen, sofern sie aus integral gefrästen, geschweißten bzw. gegossenen Elementen aufgebaut sind, haben diesbezüglich ein inhärentes Problem. Ihre hochfesten Werkstoffe (AI, Ti, zukünftig vielleicht auch Mg) besitzen zwar gute bis sehr gute statische Festigkeitseigenschaften, müssen jedoch wegen ihrer nur begrenzten Duktilität vor Rissen lokal geschützt werden, da solche Risse unter Einwirkung hoher statischer Lasten ungebremst und katastrophal wachsen können. Diese lokale Rissempfindlichkeit (bzw. Kerbempfindlichkeit) ist in einer Flugzeugstruktur vor allem immer in den Bereichen, in denen Versteifungsprofile an ein Hautblech angebunden werden, d.h. in der Regel an Querschnittsänderungen, gegeben.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein metallisches, integrales Strukturbauteil mit verbesserter Restfestigkeit zu schaffen, so dass ein besseres Verhalten unter statischen Belastungen gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird durch ein metallisches Strukturbauteil gelöst, welches mindestens zwei integral miteinander verbundene Strukturelemente, insbesondere Hautblech und Verstärkungsprofile, umfasst, und sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass es eine lokale Zone aufweist, die im Bereich des Überganges von einem Strukturelement zum anderen oder in unmittelbarer Nähe des Übergangsbereiches angeordnet ist und eine höhere Plastizität als die angrenzenden Strukturelemente aufweist. Dabei ist es unerheblich, wie die integrale Verbindung bzw. das integrale Strukturbauteil fertigungstechnisch

erzeugt wird, beispielsweise mittels Schweißen, Gießen, Schmieden, Fräsen, Sintern oder anderen Urformverfahren.

Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil ein Riss, der auf eine derartige Zone mit höherer Plastizität, was nachfolgend auch als „weiche" oder „plastische" Zone bezeichnet wird, auftrifft, durch lokale Verformungen einen Großteil seiner Energie abbauen und „abstumpfen". Mit anderen Worten, die Energie in der Rissspitze wird aufgrund der „weichen" Zone derart abgesenkt, dass die instabile katastrophale Rissausbreitung verhindert wird oder zumindest die Schwelle dazu merklich abnimmt bzw. zu höheren Versagenslasten hin verschoben wird. Gleichzeitig verfestigt sich der weiche Werkstoff vor der Rissspitze. Zusammen führt dies zum Überleben der integralen Struktur, da das versteifende und somit Last tragende Element (insbesondere das Versteifungsprofil) weitgehend intakt bleibt. Die katastrophale Rissausbreitung kann somit wirksam verhindert werden.

Zweckmäßigerweise ist die lokale Zone entlang der gesamten Längserstreckung des Übergangsbereiches ausgebildet. Der Übergangsbereich bezeichnet dabei ganz allgemein den Bereich in dem ein Strukturelement in ein weiteres Strukturelement übergeht bzw. an dieses angrenzt. Bei einer geschweißten Struktur ist dies der Anbindungsbereich von einem Strukturelement an das andere, der sich entlang der Schweißnaht erstreckt. Dabei weist das Strukturbauteil typischerweise aber nicht zwingend eine Querschnittsänderung im Übergangsbereich auf. Bei einem Versteifungsprofil, das beispielsweise mittels Schweißen an einem Hautblech befestigt ist, erstreckt sich somit vorteilhafterweise die lokale Zone in Richtung der Schweißnaht über deren gesamte Länge. Dadurch werden gleichmäßige Eigenschaften des Strukturbauteils über dessen gesamte Längserstreckung gewährleistet.

Besonders zweckmäßig ist es, dass die im Querschnitt betrachtete Breite S ₀ der lokalen Zone sich über die gesamte Querschnittsbreite S-i zumindest eines

Strukturelementes, insbesondere des Versteifungsprofils, erstreckt. Auf diese Weise wird die Wirkung der lokalen Zone optimal ausgenutzt.

Besonders vorteilhaft ist es, dass für die Länge L ₀ und Breite S ₀ der lokalen Zone die Bedingung 1/3 x S ₀ < U < 10 x S ₀ gilt, wobei durch die Länge Lo und die Breite S ₀ eine Querschnittsebene senkrecht zur Längserstreckung A des Übergangsbereiches definiert ist.

Zweckmäßigerweise weist der Querschnitt der lokalen Zone einen rechteckigen, quadratischen, trapezförmigen, zumindest einseitig aufgedickten oder eingeschnürten Querschnitt auf.

Vor allem ist es von Vorteil, dass die lokale Zone eine Zugfestigkeit R _m von größer 100 MPa, eine Dehngrenze R _p0 , ₂ von größer 80 MPa und eine Bruchdehnung ALO von größer 5 % aufweist, wobei das Verhältnis von Zugfestigkeit R _m und

Dehngrenze R _p o _,2 größer als 1 ,2 ist, und die Zugfestigkeit R _m der lokalen Zone kleiner als die Dehngrenzen der Strukturelemente ist. Diese Eigenschaften sind als globale Eigenschaften zu betrachten; d.h., dass die gesamte lokale Zone und ihr spezielles Eigenschaftsprofil auch durch eine Wechselwirkung zwischen höher festeren und sehr niedrig festen Werkstoffen entstehen kann. Die Weichheit bzw. das „weiche" Verhalten ist demnach als integraler Wert zu verstehen.

Zweckmäßig ist es, dass die lokale Zone durchgehend oder unterbrochen ausgebildet ist, so dass eine Anpassungsmöglichkeit je nach Anwendungsfall gegeben ist. Die lokale Zone kann beispielsweise durchgehend oder unterbrochen mit Durchbrüchen ausgebildet sein.

Ferner ist es zweckmäßig, dass die lokale Zone in ihrem Eigenschaftsprofil gradientenförmig in den/die Grundwerkstoff/e des/der Strukturelemente/s übergeht.

Vorteilhafterweise besteht die lokale Zone aus metallischem Werkstoff und weist geschmiedete, gegossene und/oder gesinterte Gefügemerkmale auf.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die lokale Zone integraler Bestandteil des Strukturbauteils. Die lokale Zone ist damit keine separate Komponente, die in das Strukturbauteil einzubringen ist, sondern wird durch einfache Modifikation des bzw. der Grundwerkstoffe vor, während oder nach dem Herstellen des integralen Strukturbauteils in dieses eingeformt bzw. eingebracht.

Zweckmäßigerweise ist die lokale Zone mit lokaler Erwärmung, thermomechanischer Bearbeitung, Auftragsschweißen oder anderen Rapid Prototyping Verfahren, Ko-Extrusion, Walzen oder Verpressen in das Strukturbauteil oder in mindestens eines der Strukturelemente, insbesondere in das Versteifungsprofil vor, während oder nach dem integralen Verbinden der Strukturelemente einbringbar. Dies stellt eine Vielzahl an verschiedenen Möglichkeiten dar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die lokale Zone als eigenständiges Werkstoffelement zwischen den Strukturelementen angeordnet, das insbesondere mittels Schweißen oder Löten an die Strukturelemente in integraler Weise anbringbar ist.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die lokale Zone in mindestens einem der Strukturelemente, insbesondere in dem Versteifungsprofil, durch Bohrungen, die auch mit einem Nichtmetall-Werkstoff gefüllt sein können, gebildet.

Gemäß einem ersten bevorzugten Verfahren wird die lokale Zone in das Strukturbauteil derart eingebracht, dass nach dem integralen Verbinden der Strukturelemente eine lokale Erwärmung oder lokale thermomechanische Bearbeitung (z.B. mittels Rollieren) unter Stromdurchleitung (Widerstandserwärmung) erfolgt.

Gemäß einem alternativen Verfahren wird vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente zumindest eines der Strukturelemente, insbesondere das Versteifungsprofil, zur Ausbildung der lokalen Zone durch Erwärmung oder thermomechanische Bearbeitung lokal entfestigt.

Gemäß einem weiteren Verfahren wird die lokale Zone vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente zumindest in ein Strukturelement, insbesondere in das Versteifungsprofil, durch Einbringen oder Auftragen eines separaten Werkstoffes mittels Auftragsschweißen oder anderen Rapid Prototyping Verfahren in integraler Weise eingebracht.

Gemäß einem weiteren Verfahren wird vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente zumindest an ein Strukturelement, insbesondere an das Versteifungsprofil, die lokale Zone durch Ko-Extrusion, Walzen oder Verpressen in integraler Weise angeformt.

Zweckmäßigerweise werden die vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente bearbeiteten Strukturelemente anschließend mittels Kleben, Löten, Schweißen oder anderen stoffschlüssigen Verfahren integral miteinander verbunden.

Gemäß einem alternativen Verfahren wird die lokale Zone durch ein separates Werkstoffelement mittels Löten, Schweißen oder anderen stoffschlüssigen Verfahren mit den Strukturelementen, insbesondere Hautblech und Versteifungsprofil, integral verbunden.

Gemäß einem weiteren alternativen Verfahren zum Einbringen der lokalen Zone in das erfindungsgemäße Strukturbauteil werden vor oder nach dem integralen Verbinden der Strukturelemente zur Ausbildung der lokalen Zone in mindestens

ein Strukturelement, insbesondere in das Versteifungsprofil, Bohrungen eingebracht, die zum Beispiel mit einem Nichtmetall-Werkstoff gefüllt werden.

Weitere Ausbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachstehend anhand der Figuren 1 - 3 beschrieben. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische dreidimensionale Ansicht eines integralen

Strukturbauteils, bestehend aus Hautblech und Versteifungsprofil, wobei zwischen Hautblech und Versteifungsprofil erfindungsgemäß eine lokale Zone ausgebildet ist;

Fig. 2a - 2e verschiedene Querschnittsformen der in Fig. 1 gezeigten lokalen Zone;

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil mit einer lokalen Zone, die durch mit Nichtmetall gefüllte Bohrungen ausgebildet ist.

In Fig. 1 ist in schematisch dreidimensionaler Darstellung ein Ausschnitt eines metallischen Strukturbauteils 1 dargestellt, das ein Hautblech 2 sowie ein Versteifungsprofil 3 umfasst, das beispielsweise mittels Schweißen, Löten oder auf andere Art in integraler Bauweise mit dem Hautblech 2 verbunden ist. Eine weitere Möglichkeit der Schaffung einer integralen Struktur ist bekanntlich das gleichzeitige Extrudieren bzw. Strangpressen von Hautblech 2 und Versteifungsprofilen 3, aber auch Verfahren wie beispielsweise Gießen, Schmieden, Fräsen, Sintern und dergleichen können zum Herstellen einer integralen Struktur verwendet werden.

Die Verstärkungsprofile 3 sind typischerweise Stringer, Spante, Clips und dergleichen, wobei in Fig. 1 zur vereinfachten Darstellung lediglich ein einzelnes derartiges Versteifungsprofil 3 gezeigt ist. Nachstehend soll die Erfindung lediglich beispielhaft anhand der in Fig. 1 dargestellten geschweißten Hautblech- Versteifungsprofil-Struktur beschrieben werden. Selbstverständlich findet die Erfindung auch bei anderen, in integraler Bauweise hergestellten Strukturbauteilen Anwendung.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips wird ein Riss R in dem Hautblech 2 angenommen, der senkrecht auf das Versteifungsprofil 3 trifft und dieses bedroht. Falls der Riss R auf eine unerwartete hohe statische Last senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung trifft, es somit zu einer Rissverlängerung kommt, ist die lokale Plastifizierbarkeit im Bereich der Anbindung des Versteifungsprofils 3 am Hautblech 2 von großer Bedeutung. Dieser Bereich der Anbindung, der bei dem in Fig. 1 gezeigten geschweißten Strukturbauteil 1 sich durch die Schweißverbindung ergibt, wird verallgemeinert als Übergangsbereich bezeichnet. Der Begriff Übergangsbereich soll dabei jeden Übergang von einem ersten Strukturelement zu einem weiteren Strukturelement bezeichnen, unabhängig von der Art der Verbindung und unabhängig von der Geometrie des Überganges. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Strukturbauteil weist das Bauteil 1 zudem eine Querschnittsänderung in diesem Übergangsbereich auf.

Ohne weitere Vorkehrungen würde der sich im Hautblech 2 ausbreitende Riss R beim Auftreffen auf den Anbindungs- bzw. Fußbereich des Versteifungsprofils 3 in einen Hautriss und einen Versteifungsriss aufteilen, und beide Risse würden sich in den einzelnen Strukturelementen 2, 3 katastrophal ausbreiten. Das durch einen Teilriss geschädigte Versteifungsprofil 3 besitzt eine reduzierte Lasttragfähigkeit im Vergleich zu einem differential angebrachten Versteifungsprofil, so dass unter der unerwartet hohen statischen Last ein Versagen des Strukturbauteils 1 eintreten würde. Um dieses Versagen zu verhindern und folglich das

Restfestigkeitsverhalten unter statischen Lasten zu verbessern, weist das

Strukturbautei! 1 eine lokale Zone 4 auf, die im Übergangsbereich von Hautfeld 2 und Versteifungsprofil 3 angeordnet ist und eine höhere Plastizität als die angrenzenden Strukturelemente 2, 3 aufweist. Dadurch wird der Riss R, wenn er auf die „weiche" bzw. „plastische" Zone 4 trifft oder in ihren Wirkungsbereich kommt, durch lokale Verformung einen Großteil seiner Energie

(Spannungsintensität) abbauen und dadurch „abstumpfen". Gleichzeitig verfestigt der weiche Werkstoff der lokalen Zone 4 vor der Rissspitze. Zusammen führt dies zum Überleben der integralen Struktur 1 , da das versteifende und somit Last tragende Strukturelement, d.h. das Versteifungsprofil 3, intakt bleibt und den Rest des Bauteils entlasten kann. Die katastrophale Rissausbreitung und das Versagen des Strukturbauteils 1 bleiben aus.

Die geometrischen Abmessungen der lokalen Zone 4 sowie deren metallurgische Eigenschaften (Festigkeit, Streckgrenze, Dehnung bzw. Duktilität) werden nachfolgend beschrieben.

Um gleichmäßige Eigenschaft über das gesamte Strukturbauteil 1 zu gewährleisten, erstreckt sich die lokale Zone 4 vorzugsweise entlang der gesamten Längserstreckung des Übergangsbereiches. Die Längserstreckung des Übergangsbereiches verläuft dabei in Schweißrichtung, die in Fig. 1 mit Pfeil A bezeichnet ist. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Strukturbauteil 1 ist die lokale Zone 4 im Anbindungsbereich von Hautblech 2 und Versteifungsprofil 3 angeordnet. Alternativ kann die lokale Zone 4 aber auch benachbart zu diesem Bereich angeordnet sein, d.h. in der Nähe des Anbindungs- bzw. Übergangsbereiches.

Für die Querschnittsabmessungen der lokalen Zone, d.h. für die in Fig. 1 dargestellte Breite S ₀ und Länge L ₀ der lokalen Zone 4 gilt folgende Relation:

1/3 x S ₀ < L ₀ < 1O x S ₀ .

Die Querschnittsebene, aufgespannt durch die Größen S ₀ und L ₀ steht dabei senkrecht zur Längserstreckung A des Übergangsbereiches.

Ferner weist die lokale Zone 4 folgende Eigenschaften auf:

a) Zugfestigkeit (R _m ) > 100 MPa b) Dehngrenze (R _p o, ₂ ) > 80 MPa (bezogen auf L ₀ der plastischen Zone) c) Bruchdehnung (A _L o) > 5 %.

Gleichzeitig sollte das Verhältnis von Zugfestigkeit R _m und Dehngrenze R _p o, ₂ größer als 1 ,2 und die Zugfestigkeit R _m der lokalen Zone 4 kleiner als die Dehngrenzen der angrenzenden Strukturelemente 2, 3 sein. Diese Eigenschaften gelten global für die lokale Zone 4, d.h. die Eigenschaften müssen nicht konstant über die gesamte Zone erfüllt sein, sondern es ist auch ausreichend, dass durch eine Wechselwirkung zwischen höher festen und sehr nieder festen Werkstoffen diese mechanischen Eigenschaften global erfüllt sind.

Die lokale Zone 4 hat grundsätzlich einen metallischen Werkstoffcharakter und besitzt geschmiedete, gegossene oder gesinterte Gefügemerkmale, kann aber auch aus einer Kombination dieser Merkmale bestehen.

Ferner ist der Übergang, d.h. das Eigenschaftsprofil zwischen der weichen Zone 4 und dem Grundwerkstoff bzw. den Grundwerkstoffen der Strukturelemente 2, 3 nicht abrupt, sondern erfolgt in der Regel aufgrund der physikalischen

(metallurgischen) Randbedingungen während der Herstellung mehr oder minder gradientenförmig, auch wenn er in der Fig. 1 abrupt dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt unterschiedliche Querschnittsgeometrien der in ein integrales Strukturbauteil 1 eingebrachten lokalen Zone 4. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2a erweitert sich die lokale Zone 4 vom Versteifungsprofil 3

ausgehend in Richtung Hautblech 2 trapezförmig. Dabei weist die lokale Zone 3 eine minimale Breite So am Übergang von lokaler Zone 4 zum Versteifungsprofil 3 auf, die der Breite S ₁ des Verstärkungsprofils 3 entspricht. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2b verjüngt sich die lokale Zone 4 ausgehend vom Versteifungsprofil 3 in Richtung Hautblech 2 trapezförmig, also gerade umgekehrt wie in dem in Fig. 2a gezeigten Ausführungsbeispiel. Aber auch hier erstreckt sich die lokale Zone 4 zunächst über die gesamte Breite Si des Verstärkungsprofils 3 (d.h. S ₀ = S-i), bevor sie in Richtung Hautblech 2 abnimmt. Fig. 2c zeigt eine lokale Zone 4 mit eieruhrförmig eingeschnürtem Querschnitt. Dabei weist die lokale Zone 4 am Übergang zu den jeweiligen Strukturelementen 2 und 3 die gleich Breite So auf, die der Breite Si des Versteifungsprofils 3 entspricht. Zudem ist das Hautblech 2 im Anbindungsbereich zum Versteifungsprofil 3 hin fußförmig aufgedickt. Fig. 2d zeigt eine ähnliche Anordnung mit fußförmiger Aufdickung wie Fig. 2c, bei der die lokale Zone 4 jedoch eine konstante Breite S ₀ , die der Breite Si des Versteifungsprofils 3 entspricht, aufweist. Die in Fig. 2d dargestellte lokale Zone 4 weist demnach einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Die in Fig. 2e dargestellte Ausführungsform ist wiederum eine Modifikation der Ausführungsform gemäß Fig. 2d, wobei die lokale Zone 4 einseitig in Breitenrichtung B aufgedickt ist (beispielsweise T-förmig). Die Aufdickungen können innerhalb der plastischen Zone 4, oder auch außerhalb liegen,

Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen kann die lokale Zone 4 durchgängig oder auch unterbrochen ausgebildet sein. Sie kann mit Einschnürungen oder Aufdickungen durchgängig oder lokal versehen sein. Sie kann aber auch mit Durchbrüchen (z.B. Bohrungen) versehen sein.

Hinsichtlich der Einbringung der lokalen Zone 4 in das Strukturbauteil 1 gibt es verschiedene Möglichkeiten:

Die lokale Zone kann zum Beispiel in das bereits gefertigte integrale Strukturbauteil durch definiertes Erwärmen des Übergangsbereiches eingebracht werden. Dieses Erwärmen wird auch als „Anlassen" bezeichnet und hat den Effekt, dass die hohe Festigkeit des Grundwerkstoffes zurückgeht und gleichzeitig eine hohe Duktilität im Bereich der Erwärmung entsteht. Für dieses Erwärmen sind alle Methoden der lokalen Erwärmung denkbar. Alternativ kann auch die Erwärmung während des Schweißvorganges ausgenutzt werden.

Die lokale Zone kann auch durch gezieltes Umschmelzen eines Bereiches der integralen Struktur oder entlang einer Verbindungslinie in der zu fügenden

Integralstruktur erzeugt werden, ggf. werden dabei die Eigenschaften der lokalen Zone durch Zugabe eines weiteren Werkstoffes (z.B. Schweißzusatz-Werkstoff) verbessert.

Die lokale Zone kann aber auch als eigenständiger Werkstoff mit den oben definierten Eigenschaften zwischen die einzelnen Strukturelemente 2, 3 vor dem integralen Verbinden der Strukturelemente 2, 3 eingebracht werden. Die anschließende Anbindung der lokalen Zone 4 an die Strukturelemente 2, 3 erfolgt mittels Schweißen (oder anderen stoffschlüssigen Verfahren, u.a. auch unter Verwendung von Schweißzusatzwerkstoffen) oder Löten (ggf. auch hier unter Verwendung eines Lötzusatz-Werkstoffes).

Die lokale Zone kann auch über andere endkonturnahe Verfahren an eines oder an beide Strukturelemente 2, 3 angebracht werden, bevor diese schließlich zur Gesamtintegralstruktur verbunden werden. Solche Verfahren sind z.B. das Ko- extruieren, wobei der Werkstoff des Verstärkungsprofils 3 und der Werkstoff der lokalen Zone 4 in einem Durchgang verpresst und so diffusionsverbunden werden, oder das Verwalzen oder Verquetschen der entsprechenden Werkstoffe.

Alternativ kann die lokale Zone 4 auch durch Auftragsschweißen oder andere sogenannte Rapid Prototyping Verfahren auf zumindest einem der zu

verbindenden Strukturelemente 2 und/oder 3 erzeugt werden, bevor die Strukturelemente 2, 3 wiederum beispielsweise mittels Löten oder Schweißen integral miteinander verbunden werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integralen Strukturbauteils 1 , bei dem die lokale Zone 4 durch in dem Versteifungsprofil 3 angeordnete Bohrungen 5, die mit Nichtmetall-Werkstoff gefüllt sind (nicht dargestellt), ausgebildet ist. Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Bohrungen 5 in Längserstreckung A hintereinander im Übergangsbereich zwischen Hautblech 2 und Versteifungsprofil 3 in dem Versteifungsprofil 3 angeordnet. Auch durch eine derartige Kombination können die eingangs definierten Eigenschaften der lokalen Zone 4 erzielt werden, wobei die Eigenschaften als für die lokale Zone 4 global betrachtet gelten.

Die plastische Zone kann auch durch die Kombination mehrerer oben genannter Methoden erzeugt werden, auch wenn schon eine Methode für sich alleine ausreichend ist, die angestrebte „Plastifizierung" zu erzeugen.

Beispiele:

1 ) Eine versteifte Platte aus dem Werkstoff AA 7475 T73 wurde mittels Fräsen hergestellt (Integralbauweise). Der Stringerfuß wurde durch lokale Wärmeeinbringung (z.B. Diodenlaser) „plastifiziert". Die lokale Wärmezufuhr wurde mittels online Temperaturmessung überwacht. Ziel dieser Maßnahme ist die lokale Entfestigung der Legierung AA 7475 T73 (ca. 500 MPa) durch kontrollierte Überalterung des Gefüges (Festigkeit dann 250 - 300 Mpa) durch eine kurzzeitige Erwärmung (3 - 5 sek) auf 350° C + 10° C. Es resultiert eine plastische Zone mit einer Zugfestigkeit Rm < 300 MPa und einer Dehnung A > 10%.

2) Es wurde eine weitere versteifte Platte aus einem Blech der Legierung AA 6013 T6 und einem Stringer der Legierung AA 6110 A T6 mittels

Laserstrahlschweißen hergestellt. Der Stringerfuß wurde vorher während der Herstellung (Ko-Extrusion bzw. Verbundstrangpressen) mit einem „weichen" und gut schweißbaren Material (z.B. AISi7) modifiziert. Diese Legierung bleibt auch nach Durchlaufen der Herstellungskette für den Stringer (Strangpressen, Lösungsglühen, Recken, Warmauslagern - zur Festigkeitssteigerung) weich und gut verformbar. Nach dem Laserstrahlschweißen besitzt der Verbund eine definierte Zone aus gut verformbaren Material („plastische Zone"), in der ein Riss einen Großteil seiner Energie (Spannungsintensität) abbauen kann und somit ein Versagen der Struktur bei gegebener Belastung und Risslänge bzw. -läge verhindert werden kann. Anders formuliert kann nun das Bauteil bei gegebener Risslänge bzw. -läge eine höhere Last tragen, als das Bauteil ohne diese plastische Zone.

3) Die plastische Zone kann auch durch definiertes langsames Schweißen erzeugt werden, wenn dies die verwendeten AI-Werkstoffe aus metallurgischer

Sicht zulassen (z.B. keine Heißrissentstehung beim Schweißen oder die Ausbildung von unerwünschten Korrosionsempfindlichkeiten). Dabei ist es vorteilhaft aber nicht zwingend notwendig, wenn zu beiden Seiten der Schweißnaht durch Materialanhäufungen sogenannte Wärmesenken vorhanden sind. Wie schon im Beispiel 1) führt die Wärmezufuhr zur definierten Überalterung der definiert entfestigten AI-Luftfahrtlegierung. In dieser Zone ist dann die Festigkeit deutlich reduziert und die Verformbarkeit deutlich erhöht.

4) Das lokale plastische Verhalten kann auch dadurch stimuliert werden, dass entlang der Verbindungslinie der Elemente eines Bauteils (z.B. Haut und Stringer) definiert Querschnittsveränderungen eingebracht werden. Diese modifizieren unter äußerer Belastung die Spannungsverteilung, so dass bei einem vorhandenen Riss die Spannungsintensität durch gewölbte lokale Plastifizierungen abfallen kann. So kann durch die Anordnung von Durchbrüchen (z.B. Bohrungen) zwischen den Durchbrüchen ein lokales plastisches Verhalten provoziert werden. Damit kann im Belastungsfall in Gegenwart eines Risses dessen Spannungsintensität so weit

gesenkt werden, dass ein katastrophales Versagen (instabiles, statisches Risswachstum) nicht eintritt bzw. zu größeren Lasten hin verschoben wird. Grundvoraussetzung ist hier, dass die Dimensionierung der Durchbrüche und ihrer Abstände bzw. Lage bei gegebener Belastung und RisslängeA-lage eine Überschreitung der Streckgrenze der eingesetzten Werkstoffe zwischen den Durchbrüchen bzw. in ihrem Umfeld bewirken. Nur so kann die Plastifizierung genutzt werden. Im vorliegenden Fall wurde das Bauteil aus einer Legierung AA 6013 T6 durch Fräsen und Bohren hergestellt.