DE102008008200B4

DE102008008200B4 - Verbundstruktur sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102008008200B4
Application number: DE102008008200.7A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Keck
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2028-02-01
Also published as: DE102008008200A1

Abstract

Verbundstruktur, umfassend ein erstes Kunststoff-Bauteil (10) und mindestens ein weiteres, zweites Kunststoff-Bauteil (12), wobei mindestens eines dieser Bauteile ein Thermoplast-Bauteil ist und das zweite Bauteil einen Tragebereich (12a) und mindestens einen Verbindungsbereich (12b) aufweist und über den Verbindungsbereich mit dem ersten Bauteil verbunden ist, wobei zwischen dem ersten Bauteil (10) und dem Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) mindestens eine Verbindungsschicht (14) mit einer thermoplastischen Matrix und darin eingebetteten Fasern angeordnet ist, die mindestens überwiegend aus einem Fasermaterial bestehen, welches durch Einkoppeln einer elektromagnetischen Strahlung oder eines magnetischen Wechselfeldes erhitzbar ist, und wobei die Verbindungsschicht (14) sowohl mit dem ersten Bauteil (10) als auch mit dem Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) verbunden und dabei mindestens mit dem Thermoplast-Bauteil verschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (14) eine Faserverbundwerkstoffschicht mit Verstärkungsfasern aus elektrisch leitfähigen Carbon-, Bor- und/oder Basaltfasern ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbundstruktur, umfassend ein erstes Kunststoffbauteil und mindestens ein weiteres, zweites Kunststoff-Bauteil, wobei mindestens eines dieser Bauteile ein Thermoplast-Bauteil ist und das zweite Bauteil einen Tragebereich und mindestens einen Verbindungsbereich aufweist und über den Verbindungsbereich mit dem ersten Bauteil verbunden ist, wobei zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils mindestens eine Verbindungsschicht mit einer thermoplastischen Matrix und darin eingebetteten Fasern angeordnet ist, die mindestens überwiegend aus einem Fasermaterial bestehen, welches durch Einkoppeln einer elektromagnetischen Strahlung oder eines magnetischen Wechselfeldes erhitzbar ist, und wobei die Verbindungsschicht sowohl mit dem ersten Bauteil als auch mit dem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils verbunden und dabei mindestens mit dem Thermoplast-Bauteil verschweißt ist.
Aus der DE 10 2005 034 621 B3 ergibt sich eine Verbundstruktur, umfassend ein erstes Kunststoff-Bauteil und mindestens ein weiteres Kunststoff-Bauteil, wobei mindestens eines dieser Bauteile ein Thermoplast-Bauteil ist und das zweite Bauteil einen Tragebereich und mindestens einen Verbindungsbereich aufweist und über letzteren mit dem ersten Bauteil verbunden ist. Bei dieser bekannten Verbundstruktur bestehen sowohl das erste Bauteil, als auch das zweite Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix, wobei der Tragebereich des zweiten Bauteils mit Endlosfasern verstärkt ist, der Verbindungsbereich des zweiten Bauteils von einem Flanschbereich gebildet wird, der mit Kurzfasern verstärkt ist, und der Flanschbereich mit dem ersten Bauteil durch thermisches Schweißen verbunden wurde. Zu diesem Zweck wurde empfohlen, in den Flanschbereich ein metallisches Gitter einzubetten, welches für die Durchführung des Schweißvorgangs an eine Stromquelle angeschlossen und dadurch so erhitzt wird, dass das thermoplastische Matrixmaterial des Flanschbereichs mit dem thermoplastischen Matrixmaterial des ersten Bauteils verschweißt. Auf diese Weise lässt sich die Schweißverbindung zwar einfach erzeugen, da diese bekannte Verbundstruktur an der Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil jedoch ein Fremdmaterial in Form des Metallgitters enthält, zu welchem für den Schweißvorgang auch noch eine Stromzuführleitung und eine Masseleitung geführt werden muss, hat sie auch Nachteile: Das Metallgitter und/oder die erwähnten elektrischen Anschlussstellen können zu einer reduzierten Festigkeit des Verbunds zwischen den beiden Bauteilen und insbesondere zu einem Versagen des Verbunds unter Dauerbelastung führen; da Verbundstrukturen der in Rede stehenden Art im Flugzeugbau eingesetzt werden sollen, bringt das Metallgitter aber auch das Risiko mit sich, dass bei Blitzschlag der Blitz infolge des geringen elektrischen Widerstands des Metallgitters durch dieses angezogen wird und so zu einer zusätzlichen Schädigung der die Verbundstruktur enthaltenden Baugruppe außerhalb der eigentlichen Eindringstelle des Blitzes in die Baugruppe führen kann.
Des Weiteren ist in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2006 041 653 A1 des Anmelders Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. eine Verbundstruktur beschrieben, welche ein erstes Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix, ein zweites Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix sowie eine Verbindungsschicht aus einem Kurzfaser-verstärkten Material mit thermoplastischer Matrix umfasst, welche zwischen einem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils und dem ersten Bauteil angeordnet und sowohl mit dem ersten, als auch mit dem zweiten Bauteil verschweißt ist, um diese beiden Bauteile fest miteinander zu verbinden. Auch dabei wird als Schweißverfahren das Widerstandsschweißen offenbart. Durch die Anordnung der Verbindungsschicht zwischen den beiden Bauteilen lassen sich mehrere Vorteile erzielen, beispielsweise ein Ausgleich von Toleranzen des ersten und/oder des zweiten Bauteils durch eine entsprechende Bemessung der Dicke der Verbindungsschicht, aber auch eine Anpassung an unterschiedliche Krümmungen z. B. des ersten Bauteils mit Hilfe einer Verbindungsschicht mit entsprechendem Querschnittsprofil. Insbesondere dann, wenn die thermoplastische Matrix der Verbindungsschicht beim Schweißen insgesamt erweicht wird, lassen sich ein Toleranzausgleich und/oder eine Anpassung der miteinander zu verbindenden Flächen des ersten Bauteils und des Verbindungsbereichs des zweiten Bauteils erreichen, so dass sich eine spaltfreie Verbindung zwischen den beiden Bauteilen ergibt. Auch erlaubt es eine solche Verbindungsschicht, bei einer Verbundstruktur mit einem ersten Bauteil und mehreren an diesem zu befestigenden zweiten Bauteilen letztere mit einheitlichem Tragebereich und einheitlichem Verbindungsbereich herzustellen, wobei die Anpassung an eine spezielle Anwendung, d. h. an das jeweilige erste Bauteil, über die Verbindungsschicht und insbesondere deren Schichtdicke erfolgt.
Ferner offenbart die DE 199 12 099 A1 eine Verbundstruktur, umfassend ein erstes Kohlenstoff-Bauteil und mindestens ein weiteres, zweites Kunststoff-Bauteil, wobei mindestens eines dieser Bauteile ein Thermoplast-Bauteil ist und das zweite Bauteil einen Tragebereich und mindestens einen Verbindungsbereich aufweist und über den Verbindungsbereich mit dem ersten Bauteil verbunden ist, wobei zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils mindestens eine Verbindungsschicht mit einer thermoplastischen Matrix und darin eingebetteten Fasern angeordnet ist, die mindestens überwiegend aus einem Fasermaterial bestehen, welches durch Einkoppeln einer elektromagnetischen Strahlung oder eines magnetischen Wechselfeldes erhitzbar ist, und wobei die Verbindungsschicht sowohl mit dem ersten Bauteil als auch mit dem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils verbunden und damit mindestens mit dem Thermoplast-Bauteil verschweißt ist. Als Fasermaterial werden hierbei Metallfasern offenbart. Die Metallfasern dienen lediglich dazu, die Verbindungsschicht durch magnetische Wechselfelder induktiv erhitzbar zu machen. Da metallische Fasern ein völlig anderes Wärmedehnungsverhalten zeigen als thermoplastische Materialien, wirken sich faserförmige Metallteilchen in der Verbindungsschicht der bekannten Verbundstruktur nachteilig auf Rissbildung in einer solchen Verbundstruktur aus.
Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, eine Verbundstruktur der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche auf einfache Weise herstellbar ist und eine Anpassung der miteinander zu verbindenden Bauteile aneinander ermöglicht, ohne dass der Fügebereich zwischen den beiden Bauteilen Metallfasern enthält, welche die Dauerfestigkeit des Verbunds beeinträchtigen oder andere Nachteile mit sich bringen könnten.
Diese Aufgabe wird bei einer Verbundstruktur der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verbindungsschicht eine Faserverbundwerkstoffschicht mit Verstärkungsfasern aus elektrisch leitfähigen Carbon-, Bor- und/oder Basaltfasern ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Verbundstruktur kann auf ein aus einem Fremdmaterial, insbesondere Metall, bestehendes ”Heizelement”, wie ein Metallgitter, in oder an der Verbindungsschicht und auf elektrische Anschlussstellen für das Heizelement, wie sie für das Widerstandsschweißen erforderlich sind, verzichtet werden. Es wurde nämlich überraschenderweise festgestellt, dass sich eine Mikrowellenstrahlung gut in eine Verbindungsschicht aus für das Einkoppeln der Mikrowellenstrahlung geeigneten Fasern und einer thermoplastischen Matrix einkoppeln lässt, obwohl sich thermoplastisches Material im Gegensatz zu einem duroplastischen Material durch Mikrowellenstrahlung nur schlecht erhitzen lässt – eine duroplastische Matrix ließe jedoch eine gute Schweißverbindung mit Thermoplast-Bauteilen nicht zu. Bei der erfindungsgemäßen Verbundstruktur dienen die in die Verbindungsschicht eingebetteten Fasern als Heizelemente, da kurze, elektrisch leitfähige Fasern durch Mikrowellenstrahlung effizient erhitzt werden können. Als Fasermaterial besonders bevorzugt werden kurze Carbonfasern, außer Carbonfasern eignen sich aber z. B. auch Borfasern, Basaltfasern und andere elektrisch leitfähige Fasern, und zwar insbesondere in Form von Kurzfasern. Handelt es sich bei den in die Verbindungsschicht eingebetteten Fasern um solche mit einem verhältnismäßig geringen elektrischen Widerstand, wie dies beispielsweise auch bei Carbonfasern der Fall ist, lässt sich die Verbindungsschicht auch mit einem magnetischen Wechselfeld erhitzen, durch welches in solchen Fasern Wirbelströme erzeugt werden. Für die Verbindungsschicht werden Fasern aus einem Material bevorzugt, in das sich Mikrowellenstrahlung gut einkoppeln lässt, da dann auch in der Verbindungsschicht Verstärkungsfasern verwendet werden können, wie sie sonst häufig für die Verstärkung von Thermoplast-Bauteilen verwendet werden.
Da bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundstruktur der Energieeintrag nur in einem eng begrenzten Bereich erfolgt, müssen bei der Herstellung der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil diese nicht vollständig abgestützt werden, um sie vor erhitzungsbedingten Verzügen zu schützen.
Zum Grundkonzept der vorliegenden Erfindung sei noch auf Folgendes verwiesen: Wird die Verbindungsschicht auf eines der miteinander zu verbindenden Bauteile so aufgebracht, dass sie an diesem Bauteil auch ohne Verschweißen hinreichend fest und dauerhaft haftet, könnte es sich bei diesem Bauteil auch um ein Duroplast-Bauteil handeln; dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der Verbindungsbereich des zweiten Bauteils in das Material der Verbindungsschicht eingebettet ist, wenn also der Verbindungsbereich des zweiten Bauteils mit dem Material der Verbindungsschicht z. B. umspritzt oder umgossen wird, so dass es nur noch einer Schweißverbindung zwischen der Verbindungsschicht und dem ersten Bauteil bedarf. Bevorzugt werden jedoch Ausführungsformen, bei denen es sich bei beiden Bauteilen um Thermoplast-Bauteile handelt und die Verbindungsschicht sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Bauteil verschweißt ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbundstruktur besteht das erste Thermoplast-Bauteil und/oder das zweite Thermoplast-Bauteil mindestens im Wesentlichen aus einem Faserverbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix, wobei die Faserverstärkung aus Kurzfasern bestehen kann, bevorzugt jedoch aus Endlosfasern und/oder Langfasern besteht, da diese zu einer wirksameren Verstärkung führen als Kurzfasern.
Eine besonders gute Einkoppelung einer Mikrowellenstrahlung in die Fasern der Verbindungsschicht ergibt sich dann, wenn es sich bei deren Verstärkungsfasern um Kurzfasern handelt, welche in der Form vereinzelter Fasern, beispielsweise aber auch in der Form von Faserbündeln, wie geschnittenen Rovings vorliegen können.
Andererseits lässt sich durch eine geeignete Wahl der Faserverstärkung des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils verhindern, dass die Mikrowellenstrahlung durch dasjenige der beiden Bauteile, durch welches hindurch die Mikrowellenstrahlung auf die Verbindungsschicht gerichtet wird, nennenswert absorbiert und/oder reflektiert wird, was zu einem ungenügenden Energieeintrag in die Verbindungsschicht führen würde. Soll die Mikrowellenstrahlung durch einen Bereich eines der Bauteile hindurch auf die Verbindungsschicht gerichtet werden, wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, mindestens diesen Bereich aus einem für die gewählte Mikrowellenfrequenz transparenten Material herzustellen. Am günstigsten sind dann Glasfasern oder ähnliche, für die Mikrowelle transparente Fasern. Werden in dem erwähnten Bereich elektrisch leitfähige Fasern verwendet, sollte es sich bei diesen nicht um Langfasern oder Endlosfasern handeln, da diese, wenn das betreffende Bauteil während des Schweißvorgangs elektrisch geerdet ist, sonst eine Abschirmung für die Mikrowelle bilden.
Unter Kurzfasern werden im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Fasern mit einer Länge bis 50 mm verstanden, wobei die Länge insbesondere unterhalb von 3 mm liegt; unter Langfasern werden hingegen Fasern verstanden, welche eine Länge von mehr als 50 mm aufweisen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbundstruktur ist der Faseranteil in der Verbindungsschicht (gewichtsbezogen) kleiner als 40% und insbesondere kleiner als 30%, jedoch für eine Erhitzung der Verbindungsschicht noch ausreichend groß; durch einen solchen Faseranteil lässt sich gewährleisten, dass bei einer Erhitzung der Verbindungsschicht zum Zwecke des Verschweißens das Material der Verbindungsschicht hinreichend Fließfähig bzw. pastös wird, um den Spalt zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils zumindest nahezu vollständig auszufüllen.
Günstig ist es, wenn das Matrixmaterial der Verbindungsschicht das gleiche ist wie das thermoplastische Material des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils, mindestens in dem Sinne, dass die Matrixmaterialen miteinander verträglich sind. Dadurch lassen sich diese besonders gut thermisch miteinander verschweißen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbundstruktur besteht die thermoplastische Matrix der Verbindungsschicht aus PEEK.
Vorteilhaft ist es, wenn der Verbindungsbereich des zweiten Bauteils quer zu dessen Tragebereich orientiert ist, da sich dann Kräfte vom einen in das andere Bauteil besonders günstig einleiten lassen.
Vorteilhaft wirkt es sich auch aus, wenn das zweite Bauteil mindestens in der Nachbarschaft seines Verbindungsbereichs plattenförmig ausgebildet ist, da sich dann das zweite Bauteil auf einfache Weise beispielsweise aus einer ebenen Grundplatte herstellen lässt, was zu dem weiteren Vorteil führt, dass der Tragebereich des zweiten Bauteils und dessen Verbindungsbereich auf einfache Weise miteinander einstückig ausgebildet werden können.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbindungsstruktur, bei denen das zweite Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, zeichnen sich dadurch aus, dass im zweiten Bauteil Fasern vom Tragebereich in den Verbindungsbereich durchgehen. Dadurch erhält man eine stabile einstückige Verbindung zwischen dem Verbindungsbereich und dem Tragebereich, über die Kräfte vom Verbindungsbereich optimal in den Tragebereich einleitbar sind.
Die erfindungsgemäße Verbundstruktur ist dann besonders vorteilhaft, wenn das zweite Bauteil eine Verstärkungsrippe bildet, da dann das erste Bauteil durch das zweite Bauteil oder mehrere zweite Bauteile besonders wirksam abgestützt werden kann.
Günstig ist es auch, wenn der Verbindungsbereich des zweiten Bauteils mindestens näherungsweise parallel zum ersten Bauteil orientiert ist, da sich dann die Verbindung der beiden Bauteile auf einfache Weise und mit hoher Festigkeit herstellen lässt.
Aus demselben Grund ist es von Vorteil, wenn Fasern im Verbindungsbereich des zweiten Bauteils mindestens näherungsweise parallel zum ersten Bauteil orientiert sind. Insbesondere sind Fasern im Verbindungsbereich des zweiten Bauteils mindestens näherungsweise parallel zu Fasern im ersten Bauteil (mindestens in einem Bereich, welcher dem Verbindungsbereich benachbart ist) orientiert. Dadurch erhält man eine optimierte Krafteinleitung und -ableitung vom einen in das andere Bauteil.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil, von denen mindestens das eine ein Thermoplast-Bauteil ist, wobei bei diesem Verfahren am zweiten Bauteil ein Verbindungsbereich hergestellt wird, welcher mindestens näherungsweise parallel zu einem benachbarten Bereich des ersten Bauteils orientiert ist, wobei zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils eine Verbindungsschicht aus einem Faserverbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix angeordnet wird, deren Fasern mindestens überwiegend aus einem Fasermaterial bestehen, welches durch Einkoppeln einer elektromagnetischen Strahlung oder eines magnetischen Wechselfeldes erhitzbar ist, und dass das erste Bauteil und der Verbindungsbereich des zweiten Bauteils samt Verbindungsschicht gegeneinander angelegt werden und die thermoplastische Matrix der Verbindungsschicht mindestens bereichsweise durch Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung bzw. des magnetischen Wechselfeldes in Fasern der Verbindungsschicht so stark erhitzt wird, dass letztere mit mindestens einem der beiden Bauteile verschweißt wird.
Dabei lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren so zu gestalten, dass es sich besonders einfach durchführen lässt.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Verbindungsschicht ein Faserverbundwerkstoff mit Verstärkungsfasern aus elektrisch leitfähigen Carbon-, Bor- und/oder Basaltfasern verwendet wird.
Zur Erhitzung der Verbindungsschicht kann auch so vorgegangen werden, dass die elektromagnetische Strahlung bzw. das magnetische Wechselfeld ungefähr parallel zum Spalt zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils in die Verbindungsschicht eingekoppelt wird.
Besonders einfach lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren gestalten, wenn die Verbindungsschicht auf den Verbindungsbereich des zweiten Bauteils aufgespritzt oder aufgepresst wird, wobei der Verbindungsbereich von der Verbindungsschicht auch umfasst werden kann. In jedem Fall lassen sich insbesondere konventionelle Spritzgießmaschinen einsetzen.
Eine besonders standfeste Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil lässt sich dann erreichen, wenn die Verbindungsschicht sowohl mit dem ersten Bauteil als auch mit dem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils verschweißt wird.
Wenn eines der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile oder beide Bauteile faserverstärkt ist bzw. sind, kann, wie vorstehend erläutert wurde, bei geeigneter Wahl der Faserverstärkung die elektromagnetische Strahlung bzw. das magnetische Wechselfeld durch das erste Bauteil und/oder den Verbindungsbereich des zweiten Bauteils hindurch in die Verbindungsschicht eingekoppelt werden, was eine einfachere Verfahrensführung erlaubt als eine Einkoppelung ungefähr parallel zum Spalt zwischen dem ersten Bauteil und dem Verbindungsbereich des zweiten Bauteils.
Bei besonderes bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verbindungsschicht durch eine Mikrowellenstrahlung erhitzt, da sich dann der Schweißvorgang besonders rasch und mit einer vergleichsweise kostengünstigen Einrichtung durchführen lässt. Dabei wird eine Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von ungefähr 1 bis ungefähr 4 GHz bevorzugt.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden vorstehend bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verbundstruktur erläutert.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Teils eines ersten Bauteils, eines Teils eines zweiten Bauteils und einer zwischen diesen Bauteilen anzuordnenden Verbindungsschicht in einem Schnitt senkrecht zu einer von einem Tragebereich des zweiten Bauteils definierten Ebene und senkrecht zu einer vom ersten Bauteil definierten Ebene, und zwar ehe die beiden Bauteile und die Verbindungsschicht gegeneinander angelegt werden, und
2 einen entsprechenden Schnitt durch die beiden Bauteile und die Verbindungsschicht, nachdem diese gegeneinander angelegt wurden, wobei dieser Schnitt auch die aus den beiden Bauteilen und der Verbindungsschicht hergestellte Verbundstruktur darstellt.
Die zeichnerisch dargestellte erfindungsgemäße Verbundstruktur umfasst ein erstes Bauteil 10, ein als Ganzes mit 12 bezeichnetes zweites Bauteil sowie eine in den beigefügten Zeichnungen sehr schematisch dargestellte Verbindungsschicht 14, welche in 1 als separates Element gezeichnet wurde, obwohl sie beim Zusammenfügen der beiden Bauteile 10 und 12 vorzugsweise schon am einen der beiden Bauteile und insbesondere am zweiten Bauteil 12 angeordnet ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei beiden Bauteilen 10 und 12 um Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix, wobei es sich bei dem Matrixmaterial insbesondere um PEEK handelt.
Auch die Verbindungsschicht 14 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix, welche vorzugsweise gleichfalls aus PEEK besteht; während es sich jedoch bei dem Fasermaterial der beiden Bauteile 10 und 12 um Langfasern oder um ein Fasermaterial aus Endlosfasern handelt, besteht das Fasermaterial der Verbindungsschicht 14 aus Kurzfasern.
Das zweite Bauteil 12 weist einen Tragebereich 12a und einen Verbindungsbereich 12b auf, welcher über einen Übergangsbereich 12c mit dem Tragebereich 12a verbunden ist.
Die der Verstärkung der Elemente der Verbindungsstruktur dienenden Fasermaterialien wurden in den 1 und 2 nur sehr schematisch dargestellt; die näherungsweise flächigen Fasermaterialien des ersten und des zweiten Bauteils 10 bzw. 12 wurden mit 10A bzw. 12A bezeichnet, das in der thermoplastischen Matrix der Verbindungsschicht 14 insbesondere gleichmäßig verteilte Fasermaterial dieser Verbindungsschicht mit 14A.
Da die Verbindungsschicht 14 erfindungsgemäß aus Kurzfasern und einem thermoplastischen Kunststoff besteht, kann das Material der Verbindungsschicht 14 im erhitzten Zustand, d. h. bei aufgeschmolzenem Matrixmaterial, leicht verarbeitet und geformt werden, so dass es sich beispielsweise im Spritzgussverfahren auf eines der beiden Bauteile 10 und 12 oder auf beide Bauteile auftragen lässt; bevorzugt wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das Kompositmaterial der Verbindungsschicht 14 auf den Verbindungsbereich 12b des zweiten Bauteils 12 aufgetragen wird, sei es als Schicht auf die in der Verbundstruktur dem ersten Bauteil 10 zugekehrte Seite des Verbindungsbereichs 12b oder in Form eines ungefähr hülsenförmigen Mantels, welcher den Verbindungsbereich 12b umschließt – zur Herstellung einer solchen Ausführungsform der Verbindungsschicht 14 könnte der Verbindungsbereich 12b des zweiten Bauteils 12 auch in das aufgeschmolzene Material eingetaucht werden, aus dem die Verbindungsschicht 14 gebildet wird.
Sodann werden das erste Bauteil 10 und der Verbindungsbereich 12b des zweiten Bauteils 12 unter Zwischenschaltung der Verbindungsschicht 14 aneinander gefügt und gegeneinander gepresst, worauf die Verbindungsschicht 14 mindestens mit dem ersten Bauteil 10, vorzugsweise jedoch sowohl mit dem ersten Bauteil 10 als auch mit dem Verbindungsbereich 12b des zweiten Bauteils 12 verschweißt wird. Hierzu wird bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Mikrowellenstrahlung so auf die Kombination der beiden Bauteile 10 und 12 sowie der Verbindungsschicht 14 gerichtet, dass das Fasermaterial 14A der Verbindungsschicht 14 durch die Mikrowellenstrahlung so stark erhitzt wird, dass zumindest im Bereich der Grenzfläche zwischen dem ersten Bauteil 10 und der Verbindungsschicht 14, vorzugsweise aber auch im Bereich der Grenzfläche zwischen der Verbindungsschicht 14 und dem Verbindungsbereich 12b des zweiten Bauteils 12 das Matrixmaterial der Verbindungsschicht 14 und das Matrixmaterial des ersten Bauteils 10, vorzugsweise auch das Matrixmaterial des Verbindungsbereichs 12b, zumindest bereichsweise und vorzugsweise in der ganzen Grenzfläche erweicht und so weit aufgeschmolzen wird, dass sich eine Schweißverbindung zwischen der Verbindungsschicht 14 und dem ersten Bauteil 10, insbesondere auch zwischen der Verbindungsschicht 14 und dem Verbindungsbereich 12b ergibt – umschließt die Verbindungsschicht 14, wie vorstehend beschrieben, den Verbindungsbereich 12b und haftet hinreichend dauerhaft am Verbindungsbereich 12b, bedarf es gegebenenfalls keiner Schweißverbindung zwischen der Verbindungsschicht 14 und dem Verbindungsbereich 12b.
In 2 wurden zwei Alternativen für das Einkoppeln der Mikrowellenstrahlung in das Fasermaterial 14A der Verbindungsschicht durch die Pfeile R₁ und R₂ angedeutet: Bei der ersten Alternative gemäß dem Pfeil R₁ wird die Mikrowellenstrahlung in den Spalt zwischen dem ersten Bauteil 10 und dem Verbindungsbereich 12b des zweiten Bauteils 12 hinein gerichtet, so dass die Mikrowellenstrahlung nicht eines der beiden Bauteile 10 und 12 durchdringen muss; bei der zweiten Alternative gemäß dem Pfeil R₂ ist die Mikrowellenstrahlung quer zur Verbindungsschicht 14 orientiert und wird durch das erste Bauteil 10 hindurch in das Fasermaterial 14A der Verbindungsschicht 14 eingekoppelt (die Mikrowellenstrahlung könnte aber auch gemäß 2 von unten auf den Verbindungsbereich 12b des zweiten Bauteils 12 gerichtet und durch diesen Verbindungsbereich hindurch in das Fasermaterial 14A der Verbindungsschicht 14 eingekoppelt werden) – die zweite Alternative setzt die Verwendung eines solchen Fasermaterials 10A bzw. 12A für das erste Bauteil 10 bzw. das zweite Bauteil 12 voraus, dass die Mikrowellenstrahlung durch das Bauteil 10 bzw. den Verbindungsbereich 12b nur unwesentlich absorbiert und/oder reflektiert wird, damit in der Verbindungsschicht 14 eine Mikrowellenstrahlung ausreichender Energie zur Verfügung steht (in diesem Zusammenhang sei bemerkt, dass unter den vorstehend erwähnten Voraussetzungen Langfasern und Endlosfasern Mikrowellenstrahlung weit weniger stark absorbieren als Kurzfasern). Die beiden vorstehend beschriebenen Alternativen könnten auch miteinander kombiniert werden, und ebenso ist es denkbar, die Verbindungsschicht 14 sowohl von oben, als auch von unten mit der Mikrowellenstrahlung zu beaufschlagen.
Der Tragebereich 12a des zweiten Bauteils 12 hat vorzugsweise eine ungefähr plattenförmige Gestalt, und bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zweite Bauteil aus einer faserverstärkten Grundplatte mit thermoplastischer Matrix hergestellt, die nach Erwärmung des späteren Übergangsbereich 12c zur Bildung des Verbindungsbereichs 12b dort abgebogen wird, wo der Übergangsbereich 12c gebildet werden soll. In diesem Fall hat der Verbindungsbereich 12b eine ungefähr flanschartige Gestalt. An die Stelle eines sich senkrecht zur Zeichnungsebene der 1 erstreckenden Flansches können aber auch zwei oder mehr zungen- oder lappenartige Verbindungsbereiche treten, die dann mit dem ersten Bauteil 10 über eine oder mehrere Verbindungsschichten 14 fest verbunden werden.
Eine erfindungsgemäße Verbundstruktur kann aber auch mehrere zweite Bauteile 12 an einem einzigen ersten Bauteil 10 oder mehrere erste Bauteile 10 an einem zweiten Bauteil 12 umfassen; so wäre es z. B. möglich, am zweiten Bauteil 12 gemäß 1 unten einen zweiten Verbindungsbereich 12b vorzusehen, an dem ein weiteres erstes Bauteil 10 befestigt ist, und außerdem wäre es möglich, mindestens ein weiteres Bauteil am Tragebereich 12a des zweiten Bauteils 12 zu befestigen, und zwar in derselben Weise, wie bei der dargestellten Ausführungsform das zweite Bauteil 12 am ersten Bauteil 10 befestigt ist.
Das erste Bauteil 10 kann im Fügebereich eben sein, aber auch eine konkave oder konvexe Krümmung aufweisen; in jedem Fall erlaubt die Erfindung die Anpassung der beim Schweißen erweichten Verbindungsschicht 14 an die Kontur des ersten Bauteils 10, gegebenenfalls auch an die Kontur des Verbindungsbereichs 12b des zweiten Bauteils 12, und außerdem ermöglicht die beim Schweißen erweichte Verbindungsschicht 14 eine Kompensation von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des ersten Bauteils 10 und/oder des zweiten Bauteils 12, wenn zum Schweißen die beiden Bauteile im Fügebereich gegeneinander gepresst und so positioniert werden, dass in der fertigen Verbundstruktur die beiden Bauteile positionsgenau angeordnet sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbundstruktur, bei denen das erste Bauteil 10 und/oder das zweite Bauteil 12 durch Endlosfasern und/oder Langfasern verstärkt ist bzw. sind, können die Fasern in der Form von Rovings (Faserbündel oder Faserstränge) oder in der Form von Geweben oder Gewirken vorliegen. Im ersten Bauteil 10 und/oder im zweiten Bauteil 12 sind die Fasern vorzugsweise mindestens ungefähr parallel zu den Oberflächen des betreffenden Bauteils orientiert, obwohl die Fasern bereichsweise auch quer zu diesen Oberflächen orientiert sein können. Hingegen sind bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbundstruktur die Kurzfasern in der Verbindungsschicht 14 regellos orientiert, obwohl sie auch mit einer Vorzugsrichtung in der Verbindungsschicht 14 angeordnet sein können.
Das zweite Bauteil 12 dient bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbundstruktur als Verstärkungsrippe, wobei der Tragebereich 12a das eigentliche Trageteil ist.
Im zweiten Bauteil 12 verlaufen die Fasern des Fasermaterials 12A durch den Übergangsbereich 12c hindurch, d. h. sie verlaufen ohne Unterbrechung vom Tragebereich 12a in den Verbindungsbereich 12b hinein; dadurch erhält man eine besonders stabile Struktur des zweiten Bauteils 12.
Für die Abstützung des ersten Bauteils 10 durch das zweite Bauteil 12 bzw. für die Krafteinleitung und -ableitung vom einen Bauteil in das andere ist es besonders günstig, wenn der Verbindungsbereich 12b senkrecht zum Tragebereich 12a orientiert ist.
Zusätzlich zur Schweißverbindung zwischen den beiden Bauteilen 10 und 12 könnten diese auch noch durch mechanische Befestigungsmittel miteinander verbunden sein, z. B. durch Nietelemente oder Verschraubungen.
Die Anpassungsfähigkeit der Verbindungsschicht 14 an die miteinander zu verbindenden Flächen der beiden Bauteile 10 und 12 erlaubt es auch, bei einem ersten Bauteil 10 mit bereichsweise unterschiedlichen Konturen bzw. Krümmungen mehrere identisch gestaltete zweite Bauteile 12 an verschiedenen Stellen des ersten Bauteils 10 zu befestigen, da die Anpassung an die bereichsweise unterschiedlichen Konturen des ersten Bauteils 10 über die Dicke der Verbindungsschicht 14 und/oder über eine plastische Verformung der Verbindungsschicht 14 im Zuge des Schweißvorgangs erfolgen kann.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbundstruktur wird die Verbindungsschicht 14 nur auf Druck beansprucht, und diesbezüglich wirkt es sich besonders günstig aus, dass die Verbindungsschicht 14 mit Kurzfasern verstärkt ist, welche insbesondere homogen im Matrixmaterial der Verbindungsschicht 14 verteilt sind, denn dann ist die Verbindungsschicht 14 in Richtung senkrecht zum Spalt zwischen den beiden Bauteilen 10 und 12 besonders steif und steifer als der Verbindungsbereich 12b des zweiten Bauteils 12.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Verbindungsschicht 14 als elektrische Isolierschicht zwischen den Bauteilen 10 und 12 dient.
Die erfindungsgemäße Verbundstruktur lässt sich insbesondere dazu verwenden, schalenförmige Bauteile (erste Bauteile 10) mit Verstärkungsrippen (zweite Bauteile 12) zu versehen.

Claims

Verbundstruktur, umfassend ein erstes Kunststoff-Bauteil (10) und mindestens ein weiteres, zweites Kunststoff-Bauteil (12), wobei mindestens eines dieser Bauteile ein Thermoplast-Bauteil ist und das zweite Bauteil einen Tragebereich (12a) und mindestens einen Verbindungsbereich (12b) aufweist und über den Verbindungsbereich mit dem ersten Bauteil verbunden ist, wobei zwischen dem ersten Bauteil (10) und dem Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) mindestens eine Verbindungsschicht (14) mit einer thermoplastischen Matrix und darin eingebetteten Fasern angeordnet ist, die mindestens überwiegend aus einem Fasermaterial bestehen, welches durch Einkoppeln einer elektromagnetischen Strahlung oder eines magnetischen Wechselfeldes erhitzbar ist, und wobei die Verbindungsschicht (14) sowohl mit dem ersten Bauteil (10) als auch mit dem Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) verbunden und dabei mindestens mit dem Thermoplast-Bauteil verschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (14) eine Faserverbundwerkstoffschicht mit Verstärkungsfasern aus elektrisch leitfähigen Carbon-, Bor- und/oder Basaltfasern ist.
Verbundstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (10) mindestens im Wesentlichen aus einem Faserverbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix besteht.
Verbundstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (10) durch Endlosfasern und/oder Langfasern (10A) verstärkt ist.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (12) mindestens im Wesentlichen aus einem Faserverbundwerkstoff mit thermoplastischer Matrix besteht.
Verbundstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (12) durch Endlosfasern und/oder Langfasern (12A) verstärkt ist.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) quer zu dessen Tragebereich (12a) orientiert ist.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (12) mindestens in der Nachbarschaft seines Verbindungsbereichs (12b) plattenförmig ausgebildet ist.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragebereich (12a) des zweiten Bauteils (12) und dessen Verbindungsbereich (12b) miteinander einstückig sind.
Verbundstruktur nach den Ansprüchen 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Bauteil (12) Fasern (12A) vom Tragebereich (12a) in den Verbindungsbereich (12b) durchgehen.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (12) mindestens am Verbindungsbereich (12b) sowie am Übergang (12c) des letzteren in den Tragebereich (12a) eine L-förmige Querschnittsgestalt hat.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (12) eine Verstärkungs- und/oder Abstützrippe bildet.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) mindestens näherungsweise parallel zum angrenzenden Bereich des ersten Bauteils (10) orientiert ist.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (12A) im Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) mindestens näherungsweise parallel zum angrenzenden Bereich des ersten Bauteils (10) orientiert sind.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (14) zumindest im Wesentlichen aus einem Kurzfaser-verstärkten Material besteht.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial der Verbindungsschicht (14) das gleiche ist wie das thermoplastische Material des ersten Bauteils (10) und/oder des zweiten Bauteils (12).
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (14A) der Verbindungsschicht (14) mindestens überwiegend aus einem durch Einkoppeln einer Mikrowellenstrahlung erhitzbaren Fasermaterial bestehen.
Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (14A) der Verbindungsschicht (14) mindestens überwiegend aus einem elektrisch leitfähigen, beim Einkoppeln eines magnetischen Wechselfeldes durch Wirbelströme erhitzbaren Fasermaterial bestehen.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (14) sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Bauteil (10 bzw. 12) verschweißt ist.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastische Matrix der Verbindungsschicht (14) aus PEEK besteht.
Verbundstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faseranteil in der Verbindungsschicht (14) kleiner als 40% ist.
Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Thermoplast-Bauteil (10 bzw. 12), bei dem am zweiten Bauteil (12) ein Verbindungsbereich (12b) hergestellt wird, welcher mindestens näherungsweise parallel zu einem benachbarten Bereich des ersten Bauteils (10) orientiert ist, zwischen dem ersten Bauteil (10) und dem Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) eine Verbindungsschicht (14) mit einer thermoplastischen Matrix und darin eingebetteten Fasern angeordnet wird, die mindestens überwiegend aus einem Fasermaterial bestehen, welches durch Einkoppeln einer elektromagnetischen Strahlung oder eines magnetischen Wechselfeldes erhitzbar ist, das erste Bauteil (10) und der Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) samt Verbindungsschicht (14) gegeneinander gelegt werden und die thermoplastische Matrix der Verbindungsschicht (14) mindestens bereichsweise durch Einkoppeln einer elektromagnetischen Strahlung oder eines magnetischen Wechselfeldes so stark erhitzt wird, dass die Verbindungsschicht (14) mit mindestens einem der beiden Bauteile (10, 12) verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verbindungsschicht (14) ein Faserverbundwerkstoff mit Verstärkungsfasern aus elektrisch leitfähigen Carbon-, Bor- und/oder Basaltfasern verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Verbindungsschicht (14) auf den Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) aufgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (14) sowohl mit dem ersten Bauteil (10) als auch mit dem Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) verschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung bzw. das magnetische Wechselfeld durch das erste Bauteil (10) und/oder den Verbindungsbereich (12b) des zweiten Bauteils (12) hindurch in die Verbindungsschicht (14) eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (12) aus einer Grundplatte durch Verformung hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (14) durch eine Mikrowellenstrahlung erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz von ungefähr 1 bis ungefähr 4 GHz verwendet wird.