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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fügeverfahren zum Fügen von Bauteilen im Luft- und Raumfahrtbereich mittels einer selbstfortschreitenden Reaktion in nano- und mikrostrukturierten Werkstoffen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Fügeverfahren, daß für das Verbinden von Strukturelementen im Flugzeugbau geeignet ist.
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Im Flugzeugbau wird bis heute für die meisten Bauteile vorwiegend das Fügeverfahren des Nietens verwendet. Das Nieten ist hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften der Verbindung und des Langzeitverhaltens während der Lebensdauer eines Flugzeugs sehr gut charakterisiert. Es erfüllt jedoch die Forderungen nach Gewichtsoptimierungen, die im Leichtbau üblich sind, in nicht sehr hohem Maße.
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Daher wurden verschiedene andere Verbindungstechnologien soweit entwickelt und optimiert, dass sie, bei konsequenter Umsetzung von Leichtbauprinzipien, den in der Luftfahrt üblichen, hohen Sicherheitsanforderungen genügen. Hierzu gehören beispielsweise Schmelzschweißverfahren wie das Laserstrahlschweißen oder das Elektronenstrahlschweißen, das Löten oder das Kleben.
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Das Nieten weist jedoch die folgenden Nachteile auf. Für das Einsetzen von Nieten werden Bohrungen benötigt, was eine Schwächung darstellt. Das Bohren erhöht außerdem die Anforderungen an den Korrosionsschutz. Des Weiteren führt die Verwendung von Nieten zu einem zusätzlichen Gewicht in den Fügezonen. Außerdem ist der apparative Aufwand hoch, ebenso wie der Zeitbedarf für das Herstellen der Fügung. Darüber hinaus ist ein aufwändiger Korrosionsschutz notwendig.
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Die Schmelzschweißverfahren, wie das Laserstrahlschweißen, das Elektronenstrahlschweißen, usw., weisen ebenfalls Nachteile auf. Bei Schmelzschweißverfahren entsteht durch den vergleichsweise hohen Wärmeeintrag ein deutlicher Verzug, der häufig in nachfolgenden Fertigungsschritten gerichtet werden muss. Des Weiteren eignen sich die Schmelzschweißverfahren nur für metallische Verbindungen die schmelzschweißbar sind. Dies bedeutet, sie sind nur für eine kleine Auswahl der im Flugzeugbau verwendeten Aluminiumlegierungen geeignet. Weiter ist das Fügen von zwei Titanbauteilen nur unter einem extremen apparativen Aufwand möglich, der sich nur in Einzelfällen betriebswirtschaftlich rechnet. Des Weiteren benötigen Schmelzschweißverfahren Schutzgase. Durch den allgemein hohen apparativen Aufwand, der für das Laserstrahlschweißen benötigt wird, eignen sich diese Verfahren nicht als Reparaturkonzept während des Einsatzes des Flugzeugs.
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Ähnliche Nachteile weist auch das Löten auf. Beim Löten müssen beide zu fügende Bauteile mit einem in der Fügezone befindlichen Lot in einem Ofen auf die Schmelztemperatur des Lotes erwärmt werden. Hieraus resultiert eine hohe Wärmebelastung der Bauteile. Des Weiteren ist der apparative Aufwand hoch, da die Verwendung von Öfen erforderlich ist. Bei den häufig mehrere Meter messenden Flugzeugbauteilen sind entsprechend große Öfen notwendig. Um Löt-Fügungen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften zu realisieren, werden hochschmelzende Lote benötigt, das Verfahren des Hartlötens muss eingesetzt werden. Dieses hat zur Folge, dass auch die zu fügenden Bauteile auf die hohe Schmelztemperatur des Lotes gebracht werden müssen, die im allgemeinen 450°C überschreitet. Dies macht das Verfahren für Aluminiumlegierungen ungeeignet, da diese bei solch hohen Temperaturen ihre guten mechanischen Eigenschaften verlieren. Durch den allgemein hohen apparativen Aufwand, der für das Löten benötigt wird, eignet es sich ebenfalls nicht als Reparaturkonzept während des Einsatzes des Flugzeugs.
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Was die Nachteile des Klebens betrifft, so sind Klebeverbindungen nicht elektrisch leitend. Das stellt eine Herausforderung insbesondere an den Schutz gegen Blitzeinschlag bei Flugzeugen dar. Die in der Luftfahrt üblicherweise verwendeten Klebungen erfordern das Einwirken erhöhter Temperaturen für bestimmte Zeiträume, woraus eine Temperaturbelastung der zu fügenden Bauteile resultiert. Die Langzeit- und Temperaturbeständigkeit von Klebeverbindungen ist des Weiteren noch Gegenstand von Untersuchungen.
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Das Reibrührschweißen weist ebenso verschiedene Nachteile auf. So eignet sich dieses Verfahren nur für metallische Verbindungen, insbesondere für niedrigschmelzende Leichtmetalllegierungen aus Aluminium oder Magnesium. Für Fügungen von Titanbauteilen erhöht sich der apparative Aufwand enorm. Generell ist der apparative Aufwand beim Reibrührschweißen hoch. Das Reibrührschweißen eignet sich daher nicht als Reparaturkonzept während des Einsatzes des Flugzeugs.
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Aus dem Stand der Technik, wie er in der
DE 103 34 391 A1 offenbart ist, ist ein Verfahren zur Erzeugung von Verbindungen in der Mikroelektronik bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein reaktives Material und ein Lot zwischen zwei Komponenten angeordnet, wobei bei dem reaktiven Material durch eine Zündung eine exotherme Reaktion bewirkt wird. Bei dieser exothermen Reaktion schmilzt das Lot und führt zu einer Verbindung der beiden Teile.
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Bei einem solchen Verfahren werden jedoch nur sehr kleine mikroelektronische Bauteile miteinander verbunden. Ein solches Verfahren ist weder dazu gedacht noch geeignet, große Strukturelemente im Flugzeugbau wie Hautplatten bzw. Häute, Stringer, Spanten, Clipse und/oder Schubkämme miteinander zu verbinden. Des Weiteren können beispielsweise Häute bei Flugzeugen Abmessungen von bis zu mehreren Metern erreichen. Auch sind die Anforderungen bezüglich der mechanischen Eigenschaften der Fügung in der Mikroelektronik deutlich andere, als im Flugzeugbau.
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Des Weiteren ist aus der
US 7,354,659 B2 ein Verfahren bekannt, bei welchem dünne Platten aus Boroncarbid mit einer einzigen Kupferbasisplatte verbunden werden. Auf der Unterseite der Boroncarbid Platten und entsprechend auf der Oberseite der Kupferplatte wird jeweils eine Lage aus einem Lotmaterial vorgesehen. Des Weiteren ist zwischen den Lagen aus Lotmaterial eine Anordnung von reaktiven Kompositblättern angeordnet. Des Weiteren wird eine Gummilage auf der Oberseite der Boroncarbid Platten vorgesehen und anschließend eine Aluminiumabstandsplatte auf die Gummilage aufgelegt. Die gesamte Anordnung kommt dann in eine hydraulische Presse. Die reaktiven Kompositblätter werden dann gezündet und die Kupferplatte mit den Boroncarbid Platten verbunden.
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Aus der
US 6,736,942 B2 ist eine reaktive Folie bekannt, die aus abwechselnd angeordneten Lagen hergestellt ist. Für die Lagen sind dabei Materialien ausgewählt, die in einer exothermen, selbst-auslösenden Reaktion miteinander reagieren.
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In der
US 6,534,194 B2 ist des Weiteren ein Verfahren offenbart, bei welchem unterschiedliche Füllmaterialien mittels einer reaktiven mehrlagigen Folie miteinander verbunden werden können. Des Weiteren können insbesondere Halbleiterelemente mittels einer solchen Folie auf einem Substrat einer Leiterplatte befestigt werden.
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Aus der
US 2004/0041006 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem zwei Bauteile mittels Reibschweißen miteinander verbunden werden. In einem Bereich, in welchem die Bauteile nicht durch eine Schweißnaht mittels Reibschweißen verbunden sind, ist eine Dichtung aus einem exotherm reagierenden Material angeordnet. Eine exotherme Reaktion des Materials bewirkt das Schmelzen der Dichtung und/oder von einem Abschnitt der Bauteile.
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Weiter ist aus der
US 2005/0051607 A1 ein Verfahren bekannt, bei welchem Materialien miteinander verbunden werden durch Anordnen reaktiver nanostrukturierter Folien zwischen Fügeflächen und benachbart zu einer oder mehreren Lagen von Lötmaterial.
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In der
US 2006/0219759 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilkörpern offenbart, bei welchem zusammenhängende Lagen aus reaktiven Verbundmaterialien zwischen Bauteilkörpern und benachbarten Lagen aus einem schmelzbaren Material angeordnet werden zum Verbinden der Bauteilkörper miteinander.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem sich auf einfache Weise Bauteile zuverlässig miteinander verbinden lassen, wobei die Werkstoffe der Bauteile identisch oder unterschiedlich sein können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird ein Verfahren bereitgestellt zum Verbinden von Bauteilen im Luft- und Raumfahrtbereich, wobei ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil verbunden wird, mit den Schritten Anordnen wenigstens eines nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs zwischen dem ersten und zweiten Bauteil, wobei der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff mit Bereichen ausgebildet ist, die jeweils eine exotherme Reaktion mit einer unterschiedlich hohen Wärmemenge hervorrufen, um in Bereichen der zu verbindenden Bauteile eine geringere Wärmemenge und in anderen Bereichen der zu verbindenden Bauteile eine höhere Wärmemenge bereitzustellen, wobei die Bereiche in dem nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff sich voneinander unterscheiden durch unterschiedliche Reaktanten oder unterschiedliche Kombinationen von Reaktanten, wobei als Reaktanten Metalle oder Metallverbindungen verwendet werden, die eine intermetallische Phase ausbilden, und Auslösen einer exothermen Reaktion des nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs, um die beiden Bauteile miteinander zu verbinden.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, statt der bisher aus dem Flugzeugbau bekannten Verfahren einen nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff zwischen zwei Bauteilen vorzusehen, wobei der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff derart ausgebildet ist, dass durch Hinzufügen von Aktivierungsenergie eine exotherme Reaktion ausgelöst werden kann, die ausreichend ist, um die beiden Bauteile miteinander zu verbinden.
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Somit erlaubt es die Erfindung auf sehr einfache Weise zwei Bauteile zu verbinden, wobei die durch die exotherme Reaktion erzeugte Energie bzw. Wärme ausreicht, um die gegenüberliegenden Flächen der Bauteile ausreichend zu erwärmen oder kurz aufzuschmelzen, um diese miteinander zu verbinden. Dabei ist der Wärmeeintrag in die Bauteile deutlich geringer als bei herkömmlichen Verfahren, wie beispielsweise dem klassischen Löten oder Schweißen, bei denen die Bauteile selber stark erwärmt werden. Dadurch kann ein Verzug in den Bauteilen erheblich reduziert bzw. sogar ganz verhindert werden. Durch den geringen Wärmeeintrag in die Bauteile können des Weiteren Bauteile aus Werkstoffen, beispielsweise aus Metallen, Verbundwerkstoffen wie CFK, GFK, AFK, GLARE oder HSS-GLARE miteinander oder mit anderen Werkstoffen verbunden werden. Die vorgenannten Verbundwerkstoffe sind normalerweise hitzeempfindlich, so dass sich das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausführungsformen auch für diese Werkstoffe eignet.
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In den Unteransprüchen finden sich weitere Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff und einem oder beiden Bauteile jeweils wenigstens ein zusätzlicher verbindender Werkstoff angeordnet. Dieser zusätzliche verbindende Werkstoff kann dabei beispielsweise ein Lot wie ein Hartlot oder ein Weichlot sein. Durch den nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff kann dabei das Hartlot auch zum Verbinden von wärmeempfindlichen Materialien, wie beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet werden, da im Gegensatz zum Löten gemäß dem Stand der Technik, das jeweilige Bauteil hierbei insgesamt nicht stark erhitzt werden muss.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann jeweils der gleiche oder ein unterschiedlicher verbindender Werkstoff, je nach Funktion und Einsatzzweck, zwischen dem nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff und dem jeweiligen zu verbindenden Bauteil vorgesehen sein. Das heißt, dass beispielsweise auf einer Seite zwischen einem Bauteil und dem nano- oder mikrostrukturierten Bauteil ein Hartlot vorgesehen werden kann und auf der anderen Seite ein anderer verbindender Werkstoff zwischen dem nano- oder mirkostruktirierten Werkstoff und dem andere Bauteil. Die verbindenden Materialien können dabei jeweils abhängig beispielsweise von dem Material des zu verbindenden Bauteils gewählt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff wenigstens zwei oder mehr bzw. eine Vielzahl von Lagen aus wenigstens zwei oder mehr Reaktanten aufweisen, wobei die Reaktanten derart gewählt sind, dass eine exotherme Reaktion ausgelöst werden kann. Der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff kann dabei als Folie ausgebildet sein. Dabei ist die Folie nicht homogen und besteht aus mehreren abwechselnd angeordneten Lagen, sondern die Folie weist Bereiche auf, in denen andere Reaktanten bzw. Lagen kombiniert werden, um an vorbestimmten Stellen eine unterschiedlich große Wärmemenge zu erzielen. So reicht beispielsweise in Bereichen von zu verbindenden Bauteilen bereits eine verhältnismäßig geringe Wärmemenge, um diese miteinander zu verbinden, während in anderen Bereichen eine höhere Wärmemenge benötigt wird. Des Weiteren können die Bauteile auch Bereiche mit unterschiedlichen Werkstoffen oder Materialkombinationen aufweisen, an die der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff auf diese Weise angepasst werden kann. Wahlweise kann die Folie auch Bereiche unterschiedlicher Dicke aufweisen, um ebenfalls eine unterschiedliche Wärmemenge in einzelnen Bereichen zu erzielen.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff aus einem Gemisch aus Partikeln wenigstens zweier oder mehrerer Reaktanten, die in einem Binder gebunden sind. Das Mischungsverhältnis der Reaktanten ist dabei derart gewählt, dass eine geeignete exotherme Reaktion zum Verbinden zweier Bauteile erzielt werden kann; um diese Bauteile beispielsweise in der Fügezone geeignet zu erwärmen oder aufzuschmelzen. Der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff kann dabei einen pastösen, flüssigen oder festen Charakter aufweisen. Die Paste hat den Vorteil gegenüber einer Folie, die aus mehreren Lagen besteht, dass sie leicht und gezielter auf ein Bauteil aufgetragen werden kann. Eine Folie könnte dagegen auf ein Bauteil beispielsweise auflaminiert werden, wobei eine Faltenbildung zu verhindern ist.
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Als Reaktanten werden Metalle verwendet, die eine intermetallische Phase ausbilden, beispielsweise Aluminium, Titan, Nickel, Antimon und/oder Niobium.
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In einer Ausführungsform wird eine exotherme Reaktion beispielsweise durch elektrische Energie, Ultraschall, Mikrowellen, Laserlicht, Induktion und/oder UV-Strahlen ausgelöst.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff mit Öffnungen bzw. Aussparungen und/oder Vertiefungen versehen sein, in die der verbindende Werkstoff(e) und/oder das Material der zu verbindenden Bauteile eindringen kann.
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In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die zu verbindenden Bauteile beispielsweise aus Metall, einer Metallegierung, einem Keramikmaterial, Glas und/oder einem Verbundmaterial, wie beispielsweise CFK, GFK, AFK, GLARE und/oder HSS-GLARE.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
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Von den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Beispiels eines nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs mit einem hohen Durchmischungsgrad; und
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4 eine schematische Ansicht des Aufbaus eines weiteren Beispiels eines nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs mit einem hohen Ordnungsgrad.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Es sind prinzipiell zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens des Fügens mittels exothermer selbstfortschreitender Reaktionen in nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffen möglich.
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In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein verbindendes Material, wie beispielsweise Lot, zwischen dem nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff und den zu fügenden Bauteilen eingesetzt.
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In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird kein verbindendes Material zwischen dem nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff und den zu fügenden Bauteilen eingesetzt, sondern das nano- oder mikrostrukturierte Material direkt zwischen den zu fügenden Bauteilen angeordnet.
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Die erste erfindungsgemäße Ausführungsform ist in 1 vereinfacht schematisch dargestellt. Beider ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der verbindendes Material 16, 18, wie beispielsweise Lot, für die Fügung zum Einsatz kommt, wird der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff 10 zwischen die zu fügenden Bauteile 12, 14 gelegt und eine Zwischenschicht aus verbindendem Material 16, 18 zwischen den Fügewerkstoff und die Bauteile 12, 14 eingelegt.
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Es wird daraufhin eine selbstfortschreitende, exotherme chemische Reaktion im reaktiven nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff 10 in Gang gesetzt. Dies wird erreicht, indem dem nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff 10 Aktivierungsenergie zugeführt wird.
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Dies kann auf vielfältigste Weise geschehen. Einige Beispiele werden hierbei exemplarisch aufgeführt. So kann die Aktivierungsenergie beispielsweise mittels einer elektrischen Energiequelle erfolgen, die beispielsweise eine Spannungsquelle bzw. Stromquelle aufweist. Als elektrische Energiequelle kann dabei beispielsweise eine Batterie verwendet werden. Weiter kann auch eine Laserstrahlquelle bzw. entsprechende Laserstrahl(en) verwendet werden, um die Aktivierungsenergie zuzuführen. Weiter ist auch denkbar, die Aktivierungsenergie beispielsweise mittels Ultraschall zuzuführen, wobei über den Ultraschall eine Reibung und damit Wärme erzeugt wird. Des Weiteren ist auch denkbar beispielsweise die Aktivierungsenergie über eine Mikrowellenquelle zuzuführen oder über eine Lichtquelle als Wärmequelle. Auch ist die Zuführung von Aktivierungsenergie mittels Induktion möglich.
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Grundsätzlich kann die Aktivierungsenergie auch über einen Ofen zugeführt werden. Diese Aufzählung ist lediglich beispielhaft und nicht abschließend. Sie dient lediglich dazu einige Möglichkeiten aufzuzeigen dem nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff 10 die entsprechende Aktivierungsenergie zuzuführen. Dem Durchschnittsfachmann sind jedoch neben diesen Möglichkeiten eine Vielzahl von weiteren Möglichkeiten bekannt, wie Aktivierungsenergie zugeführt werden kann.
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Ist die Reaktion in Gang gebracht, so wird die Wärme, die bei dieser Reaktion freigesetzt wird, zum Aufschmelzen oder Erwärmen des verbindenden Materials und/oder der Bauteile verwendet, woraufhin die Fügung realisiert wird.
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Wird zum Beispiel Lot als verbindendes Material verwendet, so schmilzt dieses durch die Reaktionswärme auf und erstarrt wieder nach Beendigung der Reaktion, wodurch die Verbindung der Bauteile zustande kommt. Dabei kann das Lot jedoch nur kurz aufschmelzen, ohne dass die zu verbindenden Bauteile stark miterwärmt werden. Dadurch können im Gegensatz zu dem bisherigen Verbinden von Bauteilen durch Löten, wie es mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben wurde auch Bauteile miteinander verbunden werden, die nicht so stark erhitzt werden dürfen, wie dies beim bisherigen Löten der Fall war.
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Es ist auch möglich, dass das verbindende Material nur erwärmt wird und durch von außen aufgebrachten Druck der gesamte Aufbau miteinander verbunden wird, d. h. die Bauteile, das dazwischen liegende verbindende Material und der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff.
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Das verbindende Material z. B. ein Lot, wie Hartlot oder Weichlot wird so gewählt, dass es an dem Material des Bauteils und den chemischen Produkten des eingesetzten nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs haftet. Neben den zuvor erwähnten Loten können jedoch auch andere verbindende Materialien eingesetzt werden, beispielsweise wenn Bauteile einen Verbundwerkstoff wie CFK, GFK, GLARE usw. aufweisen. Grundsätzlich gilt aber, dass als verbindendes Material eine Vielzahl von geeigneten Materialien denkbar sind neben dem Einsatz von Lot. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Lot als verbindendem Material beschränkt.
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Es müssen auf den beiden Seiten der Fügung nicht die gleichen verbindenden Materialien verwendet werden, es sind auch grundsätzlich zwei unterschiedliche verbindende Materialien möglich. Beispielsweise können unterschiedliche Lote verwendet werden oder andere unterschiedliche verbindende Materialien oder Kombinationen davon.
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Der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff 10 muss nicht in übereinandergeschichteten Lagen angeordnet sein, es sind alle anderen Anordnungen möglich, solange sichergestellt ist, dass die selbstfortschreitende Reaktion durch den nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff hindurchläuft.
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Durch das Design des nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs 10 wird die für die Fügung benötigte Wärmemenge eingestellt.
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Es ist möglich, jede Bauteilkombination miteinander zu fügen. Es gibt keine Einschränkungen hinsichtlich der Art der miteinander zu verbindenden Materialien. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung.
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Das bedeutet, dass beispielsweise verschiedene Bauteile aus Metall, einer Metalllegierung, Keramikwerkstoffen und/oder Verbundwerkstoffen, wie CFK, GFK, AFK, GLARE, HSS-GLARE usw. miteinander verbunden werden können, wobei die Bauteile das selbe Material aufweisen können oder aus unterschiedlichen Materialien sein können. Die Aufzählung der vorgenannten Materialien ist dabei rein beispielhaft und nicht abschließend. Das gilt insbesondere auch für die Aufzählung der Beispiele von Verbundwerkstoffen.
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Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vereinfacht schematisch in 2 dargestellt. Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeprozesses beinhaltet nicht die Verwendung von verbindendem Material 16, 18. Hierbei wird zwischen die zu fügenden Bauteile 12, 14 der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff 10 eingebracht, dieser kann beispielsweise in Form wenigstens einer Folie oder einer Paste ausgebildet sein. Die selbstfortschreitende, exotherme chemische Reaktion wird in Gang gesetzt, durch das Bereitstellen von Aktivierungsenergie, wie in der ersten Ausführungsform. Das Bereitstellen der Aktivierungsenergie kann dabei gemäß der Beispiele erfolgen, wie sie mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben wurden. Die zweite Ausführungsform ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
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Die bei der Reaktion frei werdende Wärme erwärmt die Bauteile 12, 14 bis sie zumindest in einer Randschicht nahe der Fügezone plastisch verformbar sind oder bis diese Randschicht nahe der Fügezone anschmilzt. Beim wieder erkalten bzw. erstarren der Randzone der Bauteile 12, 14 wird die Verbindung realisiert. In diesem Fall ähnelt die Verbindungstechnik einem Schweißprozess.
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Die nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffe 10 der ersten und zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen aus Reaktanten 20, 22, die bei Einbringen von Aktivierungsenergie in einer selbstfortschreitenden, exothermen chemischen Reaktion miteinander reagieren. Beispielsweise können die nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffe 10 metallische Edukte sein, wie beispielsweise Aluminium oder Titan, die miteinander zu einer intermetallischen Phase reagieren, in diesem Falle TiAl, Ti3Al oder TiAl3, usw... Dies sind jedoch lediglich Beispiele für eine Vielzahl von solchen nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffen 10. Wahlweise können beispielsweise auch Nickel, Antimon und Niobium sowie andere Metall eingesetzt werden.
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Die Aufzählung ist hierbei nicht abschließend. Es ist für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass es eine Vielzahl von weiteren nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffen gibt.
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Die selbstfortschreitende exotherme Reaktion hat dabei keine gasförmigen Edukte oder Produkte. Auch eine flüssige Phase auf der Produktseite ist nicht möglich wohl aber auf der Eduktseite.
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Der selbstfortschreitenden chemischen Reaktion liegt ein Diffusionsprozess der beteiligten Reaktanten 20, 22 zugrunde. Hierbei bestimmt die Nano- bzw. Mikrostruktur des Fügewerkstoffs 10 wesentlich die Diffusionswege der miteinander reagierenden Partner.
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Es können zwei oder mehr Reaktionspartner an der selbstfortschreitenden Reaktion beteiligt sein. Es kann eine beliebige Anzahl von Produkten bei der chemischen Reaktion entstehen.
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Jedwede Anordnung der chemischen Edukte im nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff 10 ist möglich, die das Selbstfortschreiten der chemischen Reaktion sicherstellt. Das bedeutet, dass in diesem Werkstoff ein hoher Durchmischungsgrad der chemischen Edukte vorliegen kann, oder auch ein hoher Ordnungsgrad bei der Anordnung der Edukte.
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Beispielsweise kann der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff 10 in Form einer Paste vorliegen, dies ist ein Beispiel für einen hohen Durchmischungsgrad der Edukte, wie in 3 gezeigt ist.
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Alternativ kann der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff 10 auch in Form eines Lagenaufbaus vorliegen, dies ist ein Beispiel für einen hohen Ordnungsgrad der Anordnung der Edukte, wie in 4 gezeigt ist. Grundsätzlich ist aber auch eine Kombination des nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs 10 gemäß der 3 und 4 denkbar.
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3 zeigt ein Beispiel für eine Anordnung mit hohem Durchmischungsgrad der chemischen Edukte im nano- oder mikrostrukturiertem Fügewerkstoff 10. Dabei ist der Zustand schematisch vor und nach der chemischen Reaktion dargestellt.
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Die Partikelgröße der Reaktanten 20, 22 liegt im Nanometer oder Mikrometerbereich und wäre in diesem Beispiel durch einen Binder 24 verbunden, der Fügewerkstoff läge also beispielsweise in Form einer Paste vor. Der Binder 24 kann sowohl fest wie auch flüssig sein und dient zunächst dazu, die Paste für den Fügeprozess handhabbar zu machen. Die Reaktanten 20, 22 können in jedweder möglichen Verteilung im Binder 24 angeordnet sein, die das Selbstfortschreiten der chemischen Reaktion sicherstellt. Es können zwei Reaktanten 20, 22, wie in 3 gezeigt ist, verwendet werden oder beliebig viele Reaktanten verwendet werden, je nach Funktion und Einsatzzweck. Der Binder 24 kann, muss aber nicht an der selbstfortschreitenden, chemischen Reaktion beteiligt sein. Der Binder 24 kann, muss aber nicht als verbindendes Material für die Fügung verwendet werden, wie in der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
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4 zeigt eine andere mögliche Anordnung der Reaktanten 20, 22 im nano- oder mikrostrukturierten Fügewerkstoff 10. Es ist schematisch der Zustand vor und nach der chemischen Reaktion dargestellt.
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4 zeigt dabei ein Beispiel für den Aufbau mit einem hohen Ordnungsgrad der Anordnung der chemischen Edukte, in diesem Falle ist ein lagenhafter Aufbau 26, 28 der Reaktanten 20, 22 vorgesehen.
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Der Fügewerkstoff 10 kann beispielsweise in Form einer Folie vorliegen. Die Dicke der Einzellagen 26, 28 ist beliebig wählbar, sie liegt jedoch in der Größenordnung von Nanometern oder Mikrometern. In diesem Beispiel sind nur zwei Reaktionspartner 20, 22 aufgeführt, es können jedoch auch mehr als zwei sein bzw. beliebig viele je nach Funktion und Einsatzzweck. Die Edukte können zu einem oder mehreren Produkten reagieren. Dabei sind die Folie bzw. die Lagen 26, 28 so ausgebildet, dass verschiedene Bereiche mit einer unterschiedlichen Wärmeerzeugung bereitgestellt werden. So können verschiedene Bereich mit unterschiedlichen Lagen, aus unterschiedlichen Reaktanten oder unterschiedliche Lagenkombinationen bereitgestellt werden. Die Lagen können wahlweise auch beispielsweise unterschiedliche Dicken aufweisen. Auf diese Weise kann der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff beispielsweise an Bauteile angepasst werden, die unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Materialien oder Materialkombinationen aufweisen und oder beispielsweise Spannungen in den Bauteilen reduziert werden.
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Die 3 und 4 zeigen unterschiedliche Beispiele für mögliche Anordnungen der chemischen Edukte im nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff 10. Jedwede andere Ausprägung von hohem oder niedrigem Ordnungsgrad, hoher oder niedriger Durchmischung, die ein Selbstfortschreiten der exothermen Reaktion sicherstellt, ist möglich.
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Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind wie folgt. Es wird nur die für das Fügen benötigte Wärmemenge gezielt in der Fügezone freigesetzt. Die Wärmemenge lässt sich durch das Design des verwendeten nano- oder mikrostrukturierten Fügewerkstoffs genau einstellen, wodurch jede Fügung genau optimiert werden kann. Durch das lokale Freisetzen der Wärme in der Fügezone resultiert eine minimale bis gar keine Temperaturbelastung der zu fügenden Bauteile. Hierdurch werden Verzüge minimiert bzw. ganz vermieden.
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Dabei können Parameter wie die Geschwindigkeit, die Hitze und/oder die Temperatur der Reaktion des reaktiven Werkstoffs, d. h. des nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs 10, beispielsweise durch Variieren der Dicke der Lagen 26, 28 des nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs 10 und/oder der jeweilige Zusammensetzung der Lagen 26, 28 und/oder der Kombination dieser Lagen 26, 28 gesteuert werden. Die Lagen 26, 28 müssen dabei nicht jeweils aus einem ersten Reaktant 20 bzw. zweiten Reaktant 22 bestehen. Grundsätzlich können verschiedene Lagen von Reaktanten miteinander kombiniert werden, dabei können beliebig viele Reaktanten verwendet werden, je nach Funktion und Einsatzzweck. Dieses sind lediglich Beispiele dafür wie ein Design aussehen kann, um die für das Fügen benötigte Wärmemenge des nano- oder mikrostrukturierten Werkstoffs steuern zu können. Die Erfindung ist dabei nicht auf diese Beispiele beschränkt.
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Des Weiteren kann der nano- oder mikrostrukturierte Werkstoff auch mit unterschiedlichen Dicken oder durchgehenden Öffnungen bzw. Aussparungen und/oder Vertiefungen versehen sein, in die beispielsweise zu verbindendes Material 16, 18 oder Material der zu verbindenden Bauteile 12, 14 eindringen kann, um beispielsweise die Haftung zu verstärken.
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Wie zuvor bereits erwähnt, gibt es keine Einschränkung hinsichtlich des zu fügenden Materials, alle gewünschten Materialkombinationen sind möglich. Das Verfahren eignet sich sowohl für metallische Verbindungen, gleichartige wie ungleichartige, ebenso wie für Fügungen von Metallen mit Verbundwerkstoffen wie beispielsweise Glare oder CFK, für Fügungen von Verbundwerkstoffen miteinander beispielsweise CFK + CFK, CFK + GLARE, GLARE + GLARE.. usw.. Hierbei sind die Verbundwerkstoffe GLARE und CFK nur beispielhaft genannt. Grundsätzlich können alle Arten von Verbundwerkstoffen miteinander verbunden werden, sowie mit Metall- und Keramikwerkstoffe usw. verbunden werden.
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Der apparative Aufwand ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und seinen Ausführungsformen im Vergleich zu den klassischen Löt- und Schmelzschweißverfahren gering. Hieraus resultiert, dass zum Ersatz von bisher genieteten Verbindungen, Bauteile deutlich einfacher und von nur einer Seite montiert werden könnten. Es werden nicht notwendigerweise Öfen benötigt, da das Verfahren bei Raumatmosphäre und Raumtemperatur stattfindet. Des Weiteren werden keine Schutzgase benötigt. Der zeitliche Aufwand ist gering, da die Geschwindigkeit der selbstforschreitenden Reaktion sehr schnell ist und somit die Fügung in kurzer Zeit fertiggestellt werden kann. Das Verfahren ist nicht nur, aber auch hervorragend als Reparaturkonzept geeignet, da es sich überall und sehr einfach durchführen lässt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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So sind die beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale davon. So kann beispielsweise eine Anordnung vorgesehen sein, bei der ein nano- oder mikrostrukturierter Werkstoff 10 zwischen zwei zu verbindenden Bauteilen 12, 14 vorgesehen ist, wie in 2 dargestellt ist. Dabei kann aber zusätzlich auf einer Seite, zwischen dem nano- oder mikrostrukturierten Werkstoff 10 und einem der beiden Bauteile 12, 14 ein zusätzliches verbindendes Material 16 oder 18, wie ein Lot, vorgesehen werden, vergleichbar der Darstellung in 1.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bauteile miteinander sehr einfach verbunden werden. Auf den Flugzeugbau bezogen können so beispielsweise Hautplatten untereinander verbunden werden und/oder Hautplatten beispielsweise mit Stringern, Spanten, Clips und/oder Schubkämmen. Auch können Elemente wie Clipse, Stringer, Spanten und/oder Schubkämme durch das erfindungsgemäße Verfahren miteinander verbunden werden. Auch kann das Verfahren zum Verbinden von Bauteilen verwendet werden, die mehrere Meter lang sind. Des weiteren können die vorgenannten Teil aus dem gleichen Material oder einem unterschiedlichen Material hergestellt sein und miteinander verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- nano- oder mikrostrukturierter Werkstoff
- 12
- zu fügendes Bauteil
- 14
- zu fügendes Bauteil
- 16
- verbindendes Material
- 18
- verbindendes Material
- 20
- Reaktant 1
- 22
- Reaktant 2
- 24
- Binder
- 26
- Lage
- 28
- Lage
