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Derartige Metall-Komposit-Bauteile, welche unter anderem auch Metall-Komposit-Mischbauweisen oder Hybridbauteile genannt werden, umfassen üblicherweise wenigstens ein Metallteil, welches beispielsweise mit einem Komposit-Material beispielsweise in Form von Kunststoff verbunden ist. Dabei werden Kunststoffe in unterschiedlichster Zusammensetzung eingesetzt, welche in unterschiedlichen Verfahren – beispielsweise durch Laminieren, Kleben oder Eingießen – mit dem wenigstens einen Metallteil verbunden werden. Eine besondere Gruppe von Metall-Komposit-Bauteilen stellen dabei diejenigen dar, bei welchen als Komposit ein faserverstärkter Kunststoff eingesetzt wird. Diese Faserverbundwerkstoffe zeichnen sich beispielsweise dadurch aus, bei hoher Stabilität und Steifigkeit ein relativ geringes Gewicht aufzuweisen. Dies ist auch der Grund dafür, weshalb der Einsatz derartiger Metall-Komposit-Bauteile bei Flugzeugen und/oder Gasturbinen stark an Bedeutung gewinnt.
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Ein Problem solcher Metall-Komposit-Bauteile ist es bislang, diese mit weiteren angrenzenden Bauteilen im Bereich beispielsweise von Schrauben- oder Bolzenverbindungen miteinander zu kontaktieren. Hierzu sind Bohrungen bzw. Öffnungen in dem Metallteil und der Kompositstruktur erforderlich, wobei insbesondere im Bereich des Metallteils bzw. der entsprechenden Bohrung/Befestigungsöffnung entsprechende Maßnahmen erforderlich sind, um eine stabile Anbindung des Metall-Komposit-Bauteils an ein angrenzendes Bauteil zu erreichen.
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Aus diesem Grund werden in dem besagten Befestigungsbereich des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils bislang Druckeigenspannungen induziert, um insbesondere die Anfälligkeit gegen Spannungs- und Risskorrosion im Metallteil zu reduzieren.
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Ein heute übliches Verfahren zur Oberflächenverfestigung des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils besteht dabei in der Randschicht- bzw. Kaltverfestigung mittels des Aufdornens. Hierbei wird die entsprechende Befestigungsöffnung durch Kaltverfestigung ausgeweitet. Abgesehen davon, dass dieses Verfahren selbst bei reinen metallischen Strukturen aufgrund von unzureichenden bzw. inhomogenen Verfestigungen problematisch ist, führt es bei der Behandlung von derartigen Komposit-Metallhybriden insbesondere zur Schädigung des Komposit-Materials bzw. dessen Komposit-Struktur. Die Schädigung ist dabei dergestalt, dass beispielsweise bei kohlefaserverstärkten Kunststoffen als Komposit-Material eine lokale Delaminiation in Folge des Bruches von C-Fasern erfolgt, die ihrerseits Anlass zu weitergehender Schädigung des Komposit-Materials sein können. Eine solche Schädigung kann beispielsweise durch einen verstärkten Wassereintritt und einer damit einhergehenden Korrosion erfolgen, was insgesamt beispielsweise zu einer Schwächung des Anbindungsbereiches des Metall-Komposit-Bauteils zu einem angrenzenden Bauteil bis hin zum vollständigen Versagen der Verbindung führen kann.
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Aus diesem Grund besteht vorliegend erheblicher Bedarf nach einem Verfahren, mittels welcher ein Metallteil eines Metall-Komposit-Bauteils ohne Beeinträchtigung des Komposits verfestigt werden kann.
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Aus der
US6508093B2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Strahlen von einer Schaufelaufnahmenut eines Rotors zur Spannungsbefreiung der Nut bekannt. Die Vorrichtung hat eine Ultraschalleinrichtung, eine Oberfläche, Seitenwangen und Kugeln. Die Vorrichtung wird in die Nut eingesetzt und definiert mit ihren Seitenwangen und ihrer Oberfläche eine Strahlkammer. Nach erfolgter Strahlung wird die Vorrichtung relativ in der Nut verschoben und ein neuer Strahlvorgang beginnt. Die
DE4018877A1 zeigt ein Strahlverfahren zur Reinigung, Veredelung und Glättung von Metalloberflächen. Als Strahlgut können Edelstahlkugeln verwendet werden. Die Metalloberfläche kann austenitisch gehärtet sein. Die
JP-H11-99 476 A beschreibt ein Bearbeitungsverfahren für Metall-Keramik-Komposit Materialien.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Oberflächenverfestigungsverfahren eines Metall-Komposit-Bauteils der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen eine Beeinträchtigung des Komposit-Materials deutlich reduziert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Oberflächenverfestigungsverfahren eines Metall-Komposit-Bauteils mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um ein Oberflächenverfestigungsverfahren eines Metall-Komposit-Bauteils zu schaffen, welches ohne Beeinträchtigung des Komposit-Materials erfolgen kann, sind erfindungsgemäß folgende Schritte vorgesehen:
- – Positionieren des zu verfestigenden Oberflächenbereichs des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils und einer Strahlgut beaufschlagenden Einrichtung, insbesondere einer Vibrationseinrichtung, relativ zueinander; und
- – Oberflächenstrahlen des zu verfestigenden Oberflächenbereichs des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils.
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Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, im Unterschied zum bislang vorgesehenen Aufdornen, welches die vorbeschriebenen Nachteile hat, nunmehr das Verfahren zum Oberflächenstrahlen zur Verfestigung des entsprechenden Oberflächenbereichs des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils einzusetzen. Das Oberflächenstrahlen zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, im Unterschied zum Aufdornen, bei welchem ein hoher Druck mit einer entsprechend beträchtlichen Schädigung des Komposit-Materials erfolgen kann, vorliegend eine wesentlich geringere Druckbelastung auf das Komposit-Material ausgeübt wird. Eine Schädigung dieses Komposit-Materials kann somit aufgrund der geringen Druckbelastung beim Oberflächenstrahlen deutlich reduziert bzw. vollständig ausgeschlossen werden.
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Durch den Einsatz des entsprechenden Oberflächenstrahlens kann somit beispielsweise ein entsprechender Oberflächen- bzw. Befestigungsbereich des Metallteils behandelt und somit eine Druckeigenspannung induziert werden, die die Komposit-Struktur praktisch nicht schädigt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn als Komposit-Material beispielsweise ein Kunststoff zum Einsatz kommt, bei welchem zur entsprechenden Verstärkung ein Fasermaterial, beispielsweise Kohlefasern, zum Einsatz kommen.
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Insgesamt ist somit erkennbar, dass solche vorbeschriebenen hybriden Strukturen hinsichtlich des metallischen Anteils auf besonders günstige Weise randschichtverfestigt werden können, damit eine hinreichende Stabilität bezüglich einer Spannungs- bzw. Schwingungs-Risskorrosion erreicht wird, so dass sich eine verlängerte Lebensdauer des Metall-Komposit-Bauteils bzw. von dessen Anbindung an ein benachbartes Bauteil deutlich verlängern lässt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich dabei als vorteilhaft gezeigt, wenn das Oberflächenstrahlen des zu bearbeitenden Oberflächenbereichs durch Ultraschall-Kugenstrahlen vorgenommen wird. Ein derartiges Kugelstrahlen-Verfahren kann relativ kostengünstig und sehr prozesssicher durchgeführt werden, was insbesondere bei der Serienproduktion von Metall-Komposit-Bauteilen erheblich zum Tragen kommt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein als Befestigungsbereich dienender Oberflächenbereich des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils durch Oberflächenstrahlen verfestigt. Insbesondere derartige Befestigungsbereiche des Metall-Komposit-Bauteils zu benachbarten Bauteilen sind nämlich hoch belastet und müssen dementsprechend verfestigt werden, um einer entsprechenden Rissbildung und einer damit einhergehenden Korrosion vorzubeugen.
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Ein besonders kostengünstiges Verfahren lässt sich darüber hinaus realisieren, wenn zum Oberflächenstrahlen Metallkugeln, insbesondere Stahlkugeln, eingesetzt werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Oberflächenbereich des Metallteils eines Metall-Kunststoff-Bauteils, insbesondere mit faserverstärkten Kunststoff, durch Oberflächenstrahlen verfestigt wird. Gerade derartige faserverstärkte Kunststoffe haben nämlich die Problematik, dass eine übermäßige Verfestigung zu einer lokalen Delamination des Komposit-Materials in Folge des Bruches der entsprechenden Fasern führen kann. Durch das Oberflächenstrahlen ist dabei eine besonders schonende Oberflächenverfestigung möglich, bei welcher der entsprechende Oberflächenbereich des Metallteils homogen und gleichmäßig verfestigt wird, während das angrenzende faserverstärkte Kunststoffmaterial praktisch nicht geschädigt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es darüber hinaus jedoch auch denkbar, dass das Metallteil umgebende Komopositbereiche, insbesondere Kunststoffbereiche, des Metall-Komposit-Bauteils vor dem Oberflächenstrahlen abgedeckt werden. Durch eine derartige Abdeckung kann gegebenenfalls eine übermäßige Beaufschlagung bzw. Schädigung des entsprechenden Kompositbereichs vermieden werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Oberflächenverfestigungsverfahren zeichnet sich insbesondere durch eine Strahlgut beaufschlagende Einrichtung, insbesondere eine Vibrationseinrichtung, aus, mittels welcher der zu verfestigende Oberflächenbereich des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils durch Oberflächenstrahlen verfestigbar ist. Eine solche, das Strahlgut beaufschlagende Einrichtung kann dabei in unterschiedlichster Ausführungsform gestaltet sein. Insbesondere ist es denkbar, eine stationäre Einrichtung einzusetzen, gegenüber welcher das entsprechende Metall-Komposit-Bauteil positioniert werden kann. Umgekehrt ist es natürlich auch denkbar, eine mobile Einrichtung zu verwenden, um somit eine Oberflächenverfestigung an einem feststehenden bzw. stationären Metall-Komposit-Bauteil vorzunehmen.
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In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft gezeigt, wenn die Vibrationseinrichtung eine das Strahlgut beaufschlagende Oberfläche aufweist, welche relativ zu dem zu verfestigenden Oberflächenbereich des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils anordbar ist. Eine derartige Oberfläche zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass diese äußerst genau und reproduzierbar im jeweils gewünschten Winkel zu der zu beaufschlagenden Oberfläche angeordnet werden kann, um somit wiederum eine äußerst gleichmäßige und reproduzierbare Oberflächenverfestigung zu erhalten.
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Weiterhin vorteilhaft ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, mittels welcher der zu verfestigende Oberflächenbereich des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils relativ zu der Vibrationseinrichtung, insbesondere zu deren das Strahlgut beaufschlagende Oberfläche, anordbar ist. Somit wird wiederum ein äußerst reproduzierbares Verfestigungsergebnis erreicht, da nämlich der zu verfestigende Oberflächenbereich mittels der Haltevorrichtung äußerst genau relativ zur Vibrationseinrichtung bzw. zu deren Oberfläche angeordnet werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung eine Strahlkammer, in welcher der zu verfestigende Oberflächenbereich des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils zumindest teilweise anordbar ist. Der Vorteil einer solchen Strahlkammer liegt dabei insbesondere darin, dass kein Strahlgut verloren geht, was wiederum dazu führt, dass ein äußerst reproduzierbares Verfestigungsergebnis erzielt werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung zur Oberflächenverfestigung eines Metall-Komposit-Bauteils mit einer Verfestigungseinrichtung in Form einer Ultraschall-Sonotrode, welche eine Strahlgut in Form von Stahlkugeln beaufschlagende Oberfläche umfasst, mit einer Strahlkammer, in welcher der zu verfestigende Oberflächenbereich des Metallteils des Metall-Komposit-Bauteils angeordnet ist, und mit einer Haltevorrichtung, mittels welcher der zu verfestigende Oberflächenbereich bzw. das Metall-Komposit-Bauteil insgesamt relativ zu der Vibrationseinrichtung angeordnet ist.
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In der Figur ist zunächst ein Metall-Komposit-Bauteil 10 in einer schematischen Schnittansicht dargestellt. Dieses Metall-Komposit-Bauteil 10 kann beispielsweise als Bauteil für ein Flugzeug und/oder für eine Gasturbine ausgebildet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das Metall-Komposit-Bauteil ein Metallteil 12, welches eine Durchgangsöffnung 13 aufweist.
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Das Metallteil 12 ist mit einem Komposit-Material in Form eines Kunststoffes 16 verbunden und bildet somit das hier gewünschte Hybridbauteil. Die Verbindung des Kunststoffes 16 mit dem Metallteil 12 kann dabei auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise ist es denkbar, das Metallteil 12 entsprechend in den Kunststoff 16 einzulaminieren oder das Metallteil 12 mit dem Kunststoff 16 zu verkleben. Ein Eingießen oder Einspritzen des Metallteils 12 in den Kunststoff 16 ist ebenfalls denkbar. Dem Fachmann ist hier klar, dass dieses Metall-Komposit-Bauteil 10 auf unterschiedlichste Art und Weise hergestellt werden. Dabei ist insbesondere festzuhalten, dass der Kunststoff 16 vorliegend nicht weiter erkennbare Fasern, beispielsweise Kohlenstofffasern umfasst, um hierdurch günstigere Materialeigenschaften zu erhalten. Die Fasern können dabei selbstverständlich sowohl ungeordnet wie auch geordnet innerhalb des Kunststoffes 16 vorliegen. Ebenfalls können die Fasern als Einzelstücke oder auch als Gewebe, Gewirke, Verband oder dergleichen ausgestaltet sein.
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Das Metallteil 12 ist vorliegend lediglich symbolisch zu verstehen. Es ist klar, dass dieses in allen möglichen Formen ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das Metallteil 12 einen Oberflächenbereich 18, welcher durch die Oberflächenverfestigung entsprechend bearbeitet werden soll. Einen Teil dieses Oberflächenbereichs 18 bildet vorliegend auch die die Durchgangsöffnung 14 begrenzende Innenseite 20 des Metallteils 12.
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Aus der Figur ist nun erkennbar, dass das Metallteil-Komposit-Bauteil 10, genauer gesagt dessen Metallteil 12, mittels einer Vorrichtung zur Oberflächenverfestigung bearbeitet wird. Hierzu umfasst die Vorrichtung eine Verfestigungseinrichtung 22, welche eine Strahlgut beaufschlagende Einrichtung in Form einer Vibrationseinrichtung 24 umfasst. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als Vibrationseinrichtung 24 eine Ultraschall-Sonotrode vorgesehen, welche eine entsprechend beschleunigbare, dem Oberflächenbereich 18 des Metallteils 12 zugewandte Oberfläche 26 umfasst. Diese Oberfläche 26 kann entsprechend in Vibration versetzt werden, um hierdurch das Strahlgut in Form von Metallkugeln, insbesondere Stahlkugeln 28, zu beschleunigen. Anstelle der hier dargestellten Stahlkugeln 28 könnte natürlich auch ein anderes Strahlgut verwendet werden.
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Die Oberfläche 26 der Vibrationseinrichtung 24 ist dabei relativ zu dem Metall-Komposit-Bauteil 10 bzw. dem Metallteil 12 mittels einer Haltevorrichtung 30 positionierbar, welche vorliegend lediglich äußerst schematisch dargestellt ist. Mit anderen Worten wird vorliegend das Metall-Komposit-Bauteil 10 relativ zu der Vorrichtung zum Oberflächenverfestigen angeordnet. Gleichfalls wäre es jedoch auch denkbar, die Verfestigungseinrichtung 22 transportabel – beispielsweise als Handgerät – zu gestalten.
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Des Weiteren ist aus der Figur eine Strahlkammer 32 erkennbar, welche die Vibrationseinrichtung 24 einhaust bzw. in welcher der zu verfestigende Oberflächenbereich 18 des Metallteils 12 des Metall-Komposit-Bauteils 10 zumindest teilweise anordbar ist. Im vorliegenden Fall ist dieser Oberflächebereich 18 vollständig innerhalb der Strahlkammer 32 angeordnet. Dabei ist aus der Figur erkennbar, dass die Wände 34 der Strahlkammer 32 mit entsprechenden Dichtungselementen 36 versehen sind, um einen unerwünschten Austritt von Strahlgut bzw. Stahlkugeln 28 aus der Strahlkammer 32 zu vermeiden. Hierdurch kann auf einfache Weise eine gleichbleibende Menge Stahlkugeln 28 innerhalb der Strahlkammer 32 bevorratet werden, um ein einheitliches und reproduzierbares Verfestigungsergebnis des zu verfestigenden Oberflächenbereichs 18 zu erreichen. In diesem Zusammenhang wäre es natürlich auch denkbar, eine Messeinrichtung und eine Nachdosiereinrichtung im Bereich der Strahlkammer 32 vorzusehen, um einen Materialverlust von Strahlgut bzw. Stahlkugeln 28 ausgleichen zu können.
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Zur Oberflächenverfestigung des Oberflächenbereichs 18 wird vorliegend das Metall-Komposit-Bauteil 10 bzw. das Metallteil 12 mittels der Haltevorrichtung 30 gegenüber bzw. relativ zur Befestigungseinrichtung 22 bzw. Vibrationseinrichtung 24 positioniert. Nachdem eine sichere und zuverlässige Positionierung erfolgt ist, kann im Anschluss daran die Vibrationseinrichtung 24 bzw. deren Oberfläche 26 in entsprechende Schwingungen versetzt werden, um hier durch die Stahlkugeln 28 zu beschleunigen und den zu verfestigenden Oberflächenbereich 18 des Metallteils 12 zu beaufschlagen.
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Der Vorteil der vorliegenden Oberflächenverfestigung ist dabei darin zu sehen, dass der entsprechende Oberflächenbereich 18 des Metallteils 12 äußerst zuverlässig und homogen verfestigt werden kann, während seitliche Kompositbereiche 38 des faserverstärkten Kunststoffes nicht geschädigt werden. Im vorliegenden Bereich werden diese Kompositbereiche 38 zwar auch durch die Stahlkugeln 28 beaufschlagt. In Folge der wesentlich geringeren Druckbelastung erfolgt jedoch eine Schädigung der Kompositbereiche 38 dahingehend, dass dies eine lokale Delamination in Folge des Bruches beispielsweise der Fasern zur Folge hätte. Vielmehr wird der entsprechende Oberflächenbereich 18 des Metallteils 12 äußerst günstig verfestigt, ohne dass die entsprechenden Kompositbereiche 38 geschädigt werden.
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Als im Rahmen der Erfindung mitumfasst ist es zu betrachten, dass es gegebenenfalls auch denkbar wäre, die hier durch das Strahlgut beaufschlagte Kompositbereiche 38 mit entsprechenden Abdeckungen abzudecken. Hierdurch wäre es gegebenenfalls denkbar, eine Belastung bzw. Beaufschlagung mit Strahlgut der Kompositbereiche 38 abzumildern bzw. zu verhindern.
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Insgesamt kann somit eine äußerst günstige Verfestigung des Oberflächenbereichs 18 des Metallteils 12 des Metall-Komposit-Bauteils 10 erreicht werden, so dass dieses auf besonders günstige und zuverlässige Weise mit einem Anschlussbauteil über die Durchgangsöffnung 14 verbunden werden kann. Es ist klar, dass die Metall-Komposit-Bauteile 10 nicht auf die Anwendung bei Flugzeugen und/oder Gasturbinen beschränkt sind. Gleichfalls wäre es auch denkbar, diese Bauteile auf anderen technologischen Gebieten einzusetzen.
