Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Werkstoffverbundstruktur mit integrierter Antennenanordnung mit einer Primärstruktur, einer auf der Oberfläche der Primärstruktur flächig aufgebrachten Kernmaterialschicht und einer Abdeckschicht auf der Kernmaterialschicht. Eine solche Werkstoffverbundstruktur kann beispielsweise für aerodynamisch konforme Außengeometrien z. B. von Luftfahrzeugen eingesetzt werden.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen mehrschichtigen Werkstoffverbundstruktur mit integrierter Antennenanordnung.

Datenübertragungssysteme mit hoher Frequenzbandbreite erfordern verhältnismäßig große Aperturen, um die anfallenden Datenmengen schnell und effizient weiterzuleiten und somit eine zeitnahe Verarbeitung gewährleisten zu können. Die hierfür notwendigen konventionellen Antennen können leicht geometrische Dimensionen erreichen, die entweder eine Integration in einer Primärstruktur aus strukturmechanischen oder systemtechnischen Gründen verhindern oder die Leistungsfähigkeit der Primärstruktur erheblich beeinträchtigen. Dies trifft gleichermaßen für Radarantennen, Satellitennavigationsantennen (z. B. GPS-Antennen – Global Positioning System) etc. zu. Ein großes Problem stellt beispielsweise die Integration derartiger konventioneller Antennen in Flugzeugen dar. Auf kleinen Flugzeugplattformen ist oftmals eine Anbringung dieser Antennen nicht möglich.

Hinzu kommt, dass Datenfunksysteme oftmals große, mechanisch nachgeführte Reflektor/Array-Antennen mit einem flugfähigen Radom benötigen.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei der in Flugzeuge zu integrierenden Vielzahl von Antennen, die über diverse Positionen am Flugzug verteilt sind und im Falle von Schwertantennen aus der Außenstruktur des Flugzeuges herausragen, die Aerodynamik nachteilig beeinflusst wird. Bei Kampfflugzeugen führen die Schwertantennen auch zu Nachteilen bezüglich der Radarsignatur, so dass diese für feindliches Radar besser erkennbar sind.

Da eine Zusammenfassung mehrerer Funktionen mit einer oder wenigen Antennen oftmals durch die zu gewährleistende Interoperabilität der Systeme nicht möglich ist, existieren Bestrebungen, Antennenanordnungen in mehrschichtige Werkstoffverbundstrukturen zu integrieren. Solche strukturintegrierte Antennen sind in der Lage, die erforderlichen großen Aperturen bei minimalem Eingriff in die strukturmechanischen Eigenschaften einer Primärstruktur zu erzeugen. So können strukturintegrierte Antennen in bislang nicht genutzte Strukturflächen, beispielsweise Rumpf-, Tragflügel- und Ruderflächen eines Flugzeugs, eingebunden werden.

Aus der DE 37 38 506 A1 ist eine tragende Struktur bekannt, in die eine hochfrequenzleitende Struktur, wie beispielsweise eine Mikrostripantenne integriert ist. Das Mikrostrip- oder Antennendielektrikum der Antenne ist dabei in faserverstärktem Kunststoff mit hoher Festigkeit und Steifigkeit ausgeführt und bildet selbst die Außenseite der tragenden Struktur.

US-Patent 5,184,141 beschreibt eine Sandwichstruktur zur Verwendung in Flugzeugteilen, in die eine Antenne integriert ist. Hierzu wird eine Antennenzuleitung durch die Sandwichstruktur durchgeführt und an der Oberseite der Sandwichstruktur auf einer Abdeckschicht eine flächige Antenne aufgebracht. Die Abdeckschicht und die Antenne wird dann mit einer weiteren Schicht abgedeckt.

DE 37 38 506 A1 offenbart eine tragende Struktur einer aktiven Antenne für Luft- oder Raumfahrtanwendungen aus faserverstärktem Kunststoff. In die tragende Struktur sind wärmeleitende oder elektromagnetische, wellenleitende Elemente integriert. Beispielsweise können elektrische Module oder Elektronikplatinen in Hohlräume der tragenden Struktur integriert werden. Die Antennen befinden sich an der Außenseite der Struktur.

DE 103 56 395 A1 offenbart eine Außenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeuges. Hierbei ist ein elektromagnetischer Funktionskern in einer Mulde einer Primärstruktur eingebettet und mit einer Abdeckplatte auf der gegenüberliegenden Seite abgedeckt. Der Antennen-Funktionskern ist ein integrales Bauteil, das ebenso wie die Abdeckplatte in die Mulde eingeklebt wird. Mit dem elektromagnetisch wirksamen Funktionskern sind gekrümmte Bauteile nur bedingt realisierbar.

Bei der Konstruktion der tragenden Struktur müssen jedoch nachteilig Einbauräume für die zu integrierenden Antennenstrukturen berücksichtigt werden, die selbst keine strukturmechanische Funktion haben.

Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte mehrschichtige Werkstoffverbundstruktur mit integrierter Antennenanordnung zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit der gattungsgemäßen mehrschichtigen Verbundstruktur erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Unterschied zur DE 37 38 506 A1 eine mehrschichtige Werkstoffverbundstruktur mit Primärstruktur, Kernmaterialschicht und Abdeckschicht eingesetzt wird. Dabei werden Antennenstrahlerelemente in die Kernmaterialschicht eingebaut. Die Kernmaterialschicht hat hierzu eine Vielzahl ausgefräster Aussparungen zur Aufnahme und Positionierung von entsprechend der Aussparung geformten Antennenstrahlerelementen. Zudem ist eine lasttragende dielektrische Abdeckschicht vorgesehen, die eine geringe Dielektrizitätskonstante und einen niedrigen Verlustfaktor hat und zur Aufnahme von Transientenkräften aus der die Abdeckschicht umgebenden Struktur und dem Schutz der Kernmaterialschicht vor externen Impactereignissen vorgesehen ist. Die Primärstruktur, die Kernmaterialschicht mit den Antennenstrahlerelementen und die lasttragende Abdeckschicht sind in situ zu einer integralen Verbundstruktur zusammenlaminiert. Die Werkstoffverbundstruktur wird dabei in situ durch Infiltrieren der Primärstruktur, der Kernmaterialschicht mit den Antennenstrahlerelementen und der Abdeckschicht gemeinsam in einem Schritt mit Harzmaterial gebildet. Hierdurch ist eine eindeutige und genaue Positionierung der Antennenstrahlerelemente in der Kernmaterialschicht möglich. Der in situ-Fertigungsprozess ist mit minimalem Aufwand verbunden und flexibel auch für stark gekrümmte Strukturen einsetzbar. Derartige Werkstoffverbundstrukturen können beispielsweise einachsig oder sogar zweiachsig gekrümmt sein.

Damit wird eine Antennenstruktur geschaffen, bei der die elektromagnetischen Hochfrequenzkomponenten nicht in verbleibende Ausschnitte der tragenden Struktur montiert sind, sondern bei denen die Antennenstrahlerelemente Teile der Kernmaterialschicht bilden und zusammen mit dieser integral mit der Primärstruktur und der Abdeckschicht zu einer einzigen Verbundstruktur zusammenlaminiert sind.

Damit ist die elektromagnetische Funktionsfähigkeit der strukturintegrierten Antenne sichergestellt, die gleichzeitig mechanisch in den Kraftfluss der Werkstoffverbundstruktur nach dem Prinzip eines Sandwichverbundes eingebunden ist.

Die Kernmaterialschicht kann beispielsweise ein Hartschaumwerkstoff, ein wabenförmiger Werkstoff, glasfaserverstärkter Kunststoff, Leiterplattenmaterial oder ein syntaktischer Film, wie beispielsweise Syncore sein.

Die lasttragende Abdeckschicht hat die Aufgabe, der Werkstoffverbundstruktur die notwendige Formstabilität zu verleihen und äußere sowie strukturelle Lasten aufzunehmen sowie die Antennenstrahlerelemente vor äußeren Einflüssen zu schützen. Weiterhin muss die Abdeckschicht durch ihre dielektrischen Eigenschaften eine Abstrahlung der von den Antennenstrahlerelementen emittierten elektromagnetischen Wellen sicherzustellen. Hierzu sollte die Abdeckschicht eine Dielektrizitätskonstante von weniger als 3,5 sowie einen Verlustfaktor von weniger als 0,01 haben.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Regenerosionsschutzschicht auf der freien Oberfläche der Abdeckschicht vorgesehen ist, die der Kernmaterialschicht gegenüberliegt. Die Regenerosionsschutzschicht kann beispielsweise aus aufklebbaren Folien oder Lackierlösungen gebildet sein. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die elektrischen Eigenschaften der Antennenstruktur erhalten bleiben müssen.

Die lasttragende Einbettung der Antenne in die Primärstruktur hat den Vorteil, dass keine Verbindungs- und Versteifungselemente erforderlich sind. Vielmehr erfolgt die Lastübertragung direkt über das Kernmaterial, die Abdeckschicht und gegebenenfalls über die Antennenstrahlerelemente, die integral in die Werkstoffverbundstruktur eingebaut sind. Die Kernmaterialschicht hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 2 bis 5 mm bevorzugt von etwa 3 mm. Die Abdeckschicht hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,5 bis 2 mm, bevorzugt von etwa 1 mm. Mit dieser Bauweise wird eine deutliche Reduzierung des Gewichts und Integrationsvolumens im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen erzielt.

Es ist aber auch denkbar, dass das Kernmaterial bereits ausgehärtet ist und profilgefräst mit den Antennenstrahlerelementen und der Primärstruktur sowie der Abdeckschicht zusammengebracht und gemeinsam ausgehärtet werden, beispielsweise in einem Co-Curing/Co-Bonding-Prozess.

Das Matrix-Harzmaterial kann in einem Harzinfusionsprozess (LRI – Liquid Resin Infusion), z. B. SLI – Single Line Injection, DP-RTM – Differential Pressure Resin Transfer Moulding, VAP – Vacuum Assisted Process, RTM – Resin Transfer Moulding, VARI – Vacuum Assisted Resin Infusion, MVI – Modifiziertes Vakuum Infusionsverfahren etc., in den Gesamtverbund eingeleitet und anschließend ausgehärtet werden.

Mögliche weitere derzeit bekannte Verfahren sind der Prepreg- und Thermoplastdiaphragma-Prozess. Hier befindet sich das Harzmaterial zur Bildung der Primärstruktur und Abdeckschicht bereits in harter Form (Thermoplast) oder im B-Zustand (weich, unvernetzt und formbar) im Verbund. Dieses Harzmaterial verklebt auch die Kernmaterialschicht und die Antennenstrahlerelemente in der Werkstoff-Verbundstruktur, kann aber auch in Form einer Klebefilmschicht zusätzlich eingebracht und gemeinsam ausgehärtet/konsolidiert werden.

Eine lagenweise gestufte Ausbildung des Übergangs von Abdeckschicht zur Primärstruktur hat eine verbesserte Lasteinleitung in die lasttragende Abdeckschicht zur Folge.

Die Kernmaterialschicht kann sich auch quer zu einer Krümmungsrichtung erstreckenden Nuten zur Realisierung einer dem Krümmungsverlauf der Primärstruktur folgenden Krümmung der Kernmaterialschicht haben. Auf diese Weise wird eine Biegsamkeit der Kernmaterialschicht in definierte Krümmungsachsen erzielt.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Kontaktierung der Antennenstrahlerelemente mit isolierten, die Primärstruktur durchstoßenden Kontaktierungselementen erfolgt, die elektrisch mit zugeordneten Antennenstrahlerelementen verbunden sind. Die durch die Primärstruktur stoßende Kontaktierung hat den Vorteil einer geringen Strukturschwächung.

Die Aufgabe wird weiterhin mit dem Verfahren zur Herstellung einer solchen mehrschichtigen Werkstoffverbundstruktur mit integrierter Antennenanordnung gelöst durch die Schritte:

• a) Ausfräsen einer Vielzahl von Aussparungen in die Kernmaterialschicht und ein Einsetzen entsprechend der Aussparung geformter Antennenstrahlerelemente;
• b) Anordnen einer Kernmaterialschicht mit in die Kernmaterialschicht eingebrachten Antennenstrahlerelementen zwischen einer Oberfläche der Primärstruktur und einer dielektrischen Abdeckschicht;
• c) Verbinden der Primärstruktur, der Kernmaterialschicht mit den Antennenstrahlerelementen und der dielektrischen Abdeckschicht zu einer integralen Verbundstruktur durch in situ-Fertigung der Werkstoffverbundstruktur durch Infiltrieren der Primärstruktur, der Kernmaterialschicht mit den Antennenstrahlerelementen und der Abdeckschicht gemeinsam in einem Schritt mit Harzmaterial.

Hierdurch wird eine strukturmechanisch optimierte Werkstoffverbundstruktur ohne zusätzliche Verbindungs- und Versteifungselemente bereitgestellt, die relativ leicht und mit relativ geringem Volumen realisiert werden kann. Bedingt durch die außenstrakkonforme Bauweise der strukturintegrierten Antenne ergeben sich aerodynamische Vorteile für das Trägersystem.

Das Ausfräsen und Einsetzen in den Schritt a) hat den Vorteil, dass eine eindeutige und genaue Positionierung der Antennenstrahlerelemente möglich ist, ohne dass diese bei der Verbindung der Primärstruktur, der Kernmaterialschicht, mit den Antennenstrahlerelementen und der dielektrischen Abdeckschicht aufschwimmen und sich seitlich verschieben kann.

Die Aussparungen werden in Dickenrichtung der Kernmaterialschicht vorzugsweise abgestuft.

Durch die in situ-Fertigung kann mit minimalem Aufwand eine tragfähige Werkstoffverbundstruktur geschaffen werden, die auch stark gekrümmt sein kann.

Die in-situ-Fertigung kann beispielsweise mit einem Harzinfusionsprozess erfolgen, bei dem das Matrix-Harzmaterial in den Gesamtverbund eingeleitet und anschließend ausgehärtet wird. Derartige Harzinfusionsprozesse sind zum Beispiel die bereits oben erwähnten Prozesse SLI, DP-RTM, VAP, RTM, VARI, MVI etc.

Die in-situ-Fertigung kann aber auch mit Verfahren erfolgen, bei denen das Harzmaterial zur Bildung der Primärstruktur und Abdeckschicht nicht im flüssigen Zustand infiltriert wird. Bei Nutzung des Thermoplastdiaphragma-Prozesses ist das Harzmaterial in harter Form im Werkstoffverbund enthalten. Geeignet ist auch das Prepreg-Verfahren, bei dem sich das Harz in einem anderen Zustand, beispielsweise dem B-Zustand, im Werkstoffverbund befindet. Es ist auch denkbar, Harzmaterial in Form einer Klebefilmschicht zusätzlich einzubringen.

Allen genannten Verfahren ist allerdings gemeinsam, dass bei der in-situ-Fertigung die Aushärtung bzw. Konsolidierung der Werkstoffverbundstruktur gemeinsam erfolgt.

In dem Verfahren kann auch ein Einbringen von sich quer zu einer Krümmungsrichtung erstreckende Nuten in die Kernmaterialschicht vorgesehen sein, so dass die Kernmaterialschicht biegsam wird und an einen Krümmungsverlauf der Primärstruktur anpassbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 – Querschnittsansicht einer strukturintegrierten Antenne im Transferbereich;

2 – Querschnittsansicht einer auf einem Werkzeug aufgelegten mehrschichtigen Werkstoff-Verbundstruktur und perspektivische Ansicht der Verbundstruktur;

3a-3d – Skizzen zur Darstellung des Herstellungsverfahrens einer mehrschichtigen Werkstoff-Verbundstruktur mit integrierter Antennenanordnung.

Die 1 lässt eine Querschnittsansicht einer strukturintegrierten Antenne im Transferbereich einer mehrschichtigen Werkstoff-Verbundstruktur 1 erkennen, bei der Antennenstrahlerelemente in eine Kernmaterialschicht 2 eingebaut sind. Die Kernmaterialschicht 2 ist auf die Oberfläche einer Primärstruktur 3 aufgebracht und integral hiermit verbunden. Die Primärstruktur 3 ist beispielsweise ein faserverstärktes Verbundmaterial z. B. eine GFK- (glasfaserverstärkter Kunststoff) oder CFK-(kohlenfaserverstärkter Kunststoff) Struktur.

Die Oberfläche der mit den Antennenstrahlerelementen versehenen Kernmaterialschicht 2 ist durch eine lasttragende Abdeckschicht 4 abgedeckt, die als Frontdielektrikum wirkt.

Die Kernmaterialschicht 2, die Abdeckschicht 4 und die Primärstruktur 2 bilden eine integrale mehrschichtige Werkstoff-Verbundstruktur.

Die Primärstruktur 3 kann beispielsweise ein Bauteil eines Flugzeuges sein, z. B. ein Tragfläche. Die Kernmaterialschicht 2 kann aus mehreren miteinander verpressten Leiterplatten, z. B. verstärkten Polymer- oder Keramiksubstraten, bestehen und beinhaltet die wesentlichen elektromagnetischen Funktionsschichten der Antenne einschließlich von Strahlerelementen, beispielsweise zwei Schichten mit Antennenpatches. Die Abdeckschicht 4 dient dazu, der Antenne die notwendige Formstabilität zu verleihen, die aerodynamischen und einen Teil der strukturellen Lasten aufzunehmen sowie die Antenne vor äußeren Einflüssen zu schützen.

Es ist erkennbar dass die nicht dargestellten Antennenstrahlerelemente in der Kernmaterialschicht mit die Primärstruktur 3 durchstoßenden Kontaktierungselementen 5 elektrisch kontaktiert sind. Die 2 lässt eine Querschnittsansicht eines Herstellungsverfahrens einer gekrümmten Werkstoff-Verbundstruktur 1 erkennen, die in der perspektivischen Darstellung zusätzlich gezeigt ist.

Nach der Fertigung von Antennenstrahlerelementen 6 durch Herstellung eines elektromagnetisch aktiven Funktionskerns, Zersägen dieses Funktionskerns und Ausfräsen von Antennenstrahlerelementen 6 aus dem Funktionskern wird eine Kernmaterialschicht 2, beispielsweise eine Syncore-Schicht, hergestellt und zur Aufnahme der Antennenstrahlerelemente 6 entsprechend ausgefräst. Die Aussparungen für die Antennenstrahlerelemente 6 sind vorzugsweise in Dickenrichtung gestuft und weisen im Bereich angrenzend an die Oberfläche zur Verbindung mit der Abdeckschicht 4 einen geringeren Durchmesser auf, als im Bereich angrenzend an die Oberfläche zur Verbindung mit der Primärstruktur 3 auf. Die Abdeckschicht 4 wird hierbei auf ein entsprechend der Form der herzustellenden gekrümmten Werkstoff-Verbundstruktur 1 geformtes Werkzeug 7 gelegt. Anschließend wird die ausgefräste Kernmaterialschicht 3 eingelegt und die Antennenstrahlerelemente 6 eingesetzt. Die gestufte Ausfräsung der Antennenstrahlerelemente 6 bzw. der Kernmaterialschicht 3 hat den Vorteil, dass die Antennenstrahlerelemente 6 auch vorher in die Kernmaterialschicht 3 eingelegt werden können, ohne dass diese herausfallen. Dann kann die Kernmaterialschicht 3 zusammen mit den bereits eingesetzten Antennenstrahlerelementen 6 zusammen zusammen auf die Abdeckschicht 4 in das Werkzeug 7 platziert und genau ausgerichtet werden.

Anschließend wird die Primärstruktur 3 aufgelegt, wobei Kontaktierungselemente 5 der Antennenstrahlerelemente 6 in Form von Stiften die Primärstruktur 3 durchstoßen, ohne dass dies zu einer wesentlichen Schwächung der Werkstoff-Verbundstruktur 1 führt.

Die Werkstoff-Verbundstruktur 1 wird dann In-Situ mit an sich bekannten Harzinfusionsprozessen, wie beispielsweise dem SLI-Prozess (Single Line Injection), gefertigt, indem das Matrix-Harzmaterial in den Gesamtverbund mit Hilfe von Vakuum eingeleitet und anschließend ausgehärtet wird.

Die 3a) bis 3d) zeigen die Verfahrensschritte zur Herstellung der Antennenstrahlerelemente 6 und der Kernmaterialschicht 3.

Aus der 3a ist erkennbar, dass ein elektromagnetisch wirksamer Funktionskern 8 aus einer Kernmaterialschicht 3 mit elektromagnetisch aktiven Antennenbereichen 9 herstellt wird, wobei die Antennenbereiche 9 in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind.

Der elektromagnetische Funktionskern 8 wird dann zersägt und einzelne oder zusammenhängende Antennenstrahlerelemente 6 ausgefräst (siehe 3b).

Anschließend wird die Kernmaterialschicht 2 hergestellt und durch Fräsen an die gewünschte Oberflächenprofilierung angepasst (3c). In die Kernmaterialschicht 2 werden Bohrungen 10 zur Aufnahme der Antennenstrahlerelemente 6 aufgenommen.

Anschließend werden die Antennenstrahlerelemente 6 in die Bohrungen 10 der Kernmaterialschicht 2 eingesetzt (3d).

Diese mehrschichtige Werkstoff-Verbundstruktur 1 mit integrierter Antennenanordnung hat im Vergleich zur herkömmlichen Integration konventioneller Antennen einen durch den Wegfall etwaiger Verbindungs- und Versteifungselemente bedingten Gewichtsvorteil. Zudem ergeben sich minimale Aufwände für das Volumen der strukturintegrierten Antenne. Durch die außenstrakkonforme Bauweise der strukturintegrierten Antenne ergeben sich aerodynamische Vorteile für das Trägersystem sowie die Möglichkeit der Integration in bisher für Antennen nicht zugängliche Bereiche. Bei Flugzeugen sind dies z. B. Ruder, Klappen, sowie in Kombination mit einer entsprechend isolierten HF-Zuleitung zu den Antennenstrahlerelementen 6 auch betankte Bereiche. Mit der Werkstoffverbundstruktur können große Flächen für Antennen realisiert werden.