Erforschung und Erprobung der Einsatzfähigkeit von Füllmassen für die Erzeugung eines laminaren Fügeübergangs am Beispiel Flügelvorderkante/Flügelkasten

Herrles, Christian GND

Zukünftige Flugzeuge werden durch optimierte laminare Strömung an der Außenhaut verbrauchsärmer. Konzepte zur Anbindung einer laminaren Flügelnase an einen laminaren Flügelkasten sehen einen Fügeübergang mit komplexem Querschnitt vor, der mit einer geeigneten Füllmasse aufgefüllt wird und in Reiseflughöhe bei ca. -55 °C aerodynamisch glatt sein muss. Derzeit werden Fügeübergänge ausschließlich manuell mit Füllmasse gefüllt. Vor dem Hintergrund der stark anwachsenden Produktionsraten von Flugzeugen und gegeben durch die sehr hohen Anforderungen an die Oberflächengüte laminarer Flügeloberflächen zukünftiger Flugzeugmodelle müssen diese manuellen Prozesse automatisiert werden. Um das Ziel einer sehr glatten automatisierten Befüllung von Fügeübergängen zu erreichen, werden im ersten Teil der Arbeit die systematischen Zusammenhänge zwischen den Materialeigenschaften von luftfahrtqualifizierten Füllmassen (polysulfid- und polythioetherbasiert) und dem Applikationsprozess erarbeitet. Die bezüglich der Applikation wichtigen Materialeigenschaften der Füllmassen (Viskosität und härtungsbedingte Schwindung) werden hinsichtlich der Applikationstemperaturen und der Zeitspanne zwischen Anmischung und Applikation untersucht. Weiter wird die Belastbarkeit der applizierten Füllmassen im Flugbetrieb geprüft. Dies umfasst die thermisch und hygroskopisch bedingte Kontraktion und Expansion bzw. Quellung sowie die Haftfestigkeit auf unterschiedlichen Oberflächen (Aluminium, Stahl, Titan, Grundlack und Decklack) bei Raumtemperatur und bei -55 °C. Das Ablegen der passenden Menge der hochviskosen Füllmasse über den Querschnitt der zu füllenden Nut erfolgt im zweiten Teil dieser Arbeit mittels Düsen, deren Austrittsöffnung dem Querschnitt der zu füllenden Nut angepasst ist. Die Düsen befinden sich an der Auspresseinheit eines hochgenauen Roboters und werden mit einem definierten Abstand entlang der zu füllenden Nuten bewegt. Die systematische Untersuchung der maßgeblichen Parameter (Geometrie der Düsenaustrittsöffnung, Zeitspanne zwischen Anmischung und Applikation, Hubgeschwindigkeit der Auspresseinheit, Verfahrgeschwindigkeit der Düsen, Auswirkung der Schwerkraft, Abstand zwischen Düse und Probenoberfläche) wird hierbei an geradlinig verlaufenden Nutproben mittels teilautomatisierter Füllmassenapplikation (manuelle Programmierung der Trajektorie) durchgeführt. Für die vollautomatisierte Befüllung von Fügeübergängen wurde ein selbstreferenzierendes System entwickelt, das in der Lage ist optisch den tatsächlichen dreidimensionalen Verlauf (Trajektorie) bzw. den Querschnitt der zu füllenden Nut zu erfassen und diese Daten zu verwenden, um den Roboter und die Auspresseinheit zu regeln. Auf diese Weise referenziert sich der Roboter direkt an dem zu füllenden Bauteil, unabhängig von der Lage im Raum. Die vollautomatisierte Füllmassenapplikation wird an einer horizontal und einer gekippt im Raum positionierten Nutprobe sowie an einem zwei Meter langen Fügeübergang zwischen einem Teil einer CFK Landeklappe und vier Aluminiumblechen beschrieben.

Future aircraft will be more fuel efficient thanks to an optimised laminar flow control on their outer skin. Concepts for connecting a laminar leading edge to a laminar wing box foresee a joint gap with a complex cross-section, which is filled with a suitable filler material and show an aerodynamically smooth surface in cruising altitude at -55 °C. Nowadays, joint gaps are exclusively filled manually. Due to rapidly increasing production rates of aircraft and very high requirements on the surface quality of laminar wing surfaces of future aircraft models, these manual processes must be automated. In order to enable a very smooth automated filler application process for joint gaps, the systematic correlation between the material properties of aerospace qualified fillers (polysulfide and polythioether based) and the application process are elaborated in the first part of this thesis. The material properties of these two component fillers (viscosity and curing caused shrinkage) were investigated with regard to the application temperature as well as the time between filler mixing and filler application. Subsequently, the in service properties of applied filler materials were tested with a focus on thermal and hygroscopic caused contraction and expansion respectively swelling and adhesion on different surfaces (aluminium, steel, titanium, primer and top coat) at room temperature and -55 °C. The second part of this thesis deals with the application of the appropriate amount of the highly viscous filler material along the joint. This application process is realised with nozzles whose orifice is adapted to the cross section of the joint gap. The nozzles are mounted to a press-out unit which is attached to a high-precision robot and are moved with a defined distance along the joint gap. A systematic investigation of the relevant parameters (joint gap geometry, time between filler mixing and filler application, pressing speed, nozzle speed, effect of gravity, distance between nozzle and joint gap) was carried out on straight gap samples with a semi-automated filler application process (manual programming of the trajectory). In order to fill joint gaps fully automatically, a self-referencing system has been developed, which is able to capture the three-dimensional trajectory respectively the crosssection of the joint gap with an optical measurement device. By using this data the robot and the press-out unit can be controlled. With this method, the robot is directly referenced to the assembly part (joint gap), independent of its position in space. The fully automated filler application process was tested on horizontally positioned and on tilted straight gap samples as well as on a two meter long joint gap between a CFRP landing flap part and four aluminium sheets.

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Herrles, Christian: Erforschung und Erprobung der Einsatzfähigkeit von Füllmassen für die Erzeugung eines laminaren Fügeübergangs am Beispiel Flügelvorderkante/Flügelkasten. Clausthal-Zellerfeld 2020.

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