DE102009017776A1

DE102009017776A1 - Verfahren zum Verbinden eines Faserverbundwerkstoffes mit einem metallischen Bauteil

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Publication number: DE102009017776A1
Application number: DE102009017776A
Authority: DE
Inventors: Erhard Brandl; Claudio Dalle Dr. Donne; Pascal Vermeer
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: DE102009017776B4

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines Faserverbundwerkstoffs (15; 22) mit einem metallischen Bauteil (1) weist folgende Schritte auf. Eine Vielzahl von Vorsprüngen (2) wird auf einem zu verbindenden Bereich des metallischen Bauteils (1) aufgebaut, wobei die Vorsprünge (2) mit einem generativen Herstellungsverfahren schichtweise aufgebaut werden. Der Faserverbundwerkstoff (15; 22) und das metallische Bauteil (1) werden zusammengefügt, so dass zumindest ein Teil der Vorsprünge (2) in den Faserverbundwerkstoff (15; 22) eindringt und der Faserverbundwerkstoff (15; 22) form- und/oder kraftschlüssig mit dem metallischen Bauteil (1) verbunden wird. Die Gestalt, Anzahl, Anordnung und Materialien der Vorsprünge können derart konzipiert werden, z.B. durch eine bionische Topologioptimierung mittels Software wie z.B. Altair Optistruct oder TOSCA, dass z.B. die Verbindung eine möglichst hohe mechanische Leistungsfähigkeit hat oder eine möglichst starke Verankerung aufweisen oder dass z.B. die Fasern bei der Verbindung mit den Vorsprüngen möglichst stark vor Beschädigung geschont werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Faserverbundwerkstoffs mit einem metallischen Bauteil.
Faserverbundwerkstoffe werden im Fahrzeugbau und Flugzeugbau unter anderem auf Grund ihres Gewichtseinsparungspotenzials zunehmend verwendet und ersetzen zum Teil metallische Bauteile. Allerdings können nicht alle metallischen Bauteile durch Verbundwerkstoff ersetzt werden, so dass sowohl metallische Werkstoffe als auch Faserverbundwerkstoffe zur Anwendung kommen und diese demnach auf geeignete Weise miteinander verbunden werden müssen. Diese Metall/Faserverbundwerkstoff-Anordnungen müssen kraft- und formschlüssige Verbindungen liefern, um mechanischen Belastungen Stand halten zu können und um entsprechenden Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden.
Zum Verbinden von Faserverbundwerkstoffen und metallischen Bauteilen werden bisher Klebetechniken, Nietverbindungen oder eine Kombination dieser beiden Methoden verwendet.
Die US 5,862,975 offenbart eine Verbindung zwischen einer metallischen Struktur und einer faserverstärkten Verbundstruktur. In dem faserverstärkten Verbundwerkstoff sind senkrecht zu dessen Oberfläche verlaufend metallische Stifte integriert (so genannte „Z-Pins”) die anschließend mit der metallischen Struktur verschweißt werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es aufwendig und unflexibel ist. Zudem ist auf Grund des Schweißverfahrens die Anordnung der metallischen Stifte, insbesondere die Anordnungsdichte, begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Verbinden eines Faserverbundwerkstoffes mit einem metallischen Bauteil anzugeben, das diese Nachteile überwindet.
Gelöst wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß weist ein Verfahren zum Verbinden eines Faserverbundwerkstoffs mit einem metallischen Bauteil folgende Schritte auf:
Schichtweiser Aufbau einer Vielzahl von Vorsprüngen mittels generativem Herstellungsverfahren zur Bildung eines metallischen Bauteils mit einer Vielzahl von Vorsprüngen; und
Zusammenfügen des Faserverbundwerkstoffs und des metallischen Bauteils derart, dass die Vorsprünge in den Faserverbundwerkstoff eindringen und der Faserverbundwerkstoff form- und/oder kraftschlüssig mit dem metallischen Bauteil verbunden wird.
Mit Hilfe eines generativen Herstellungsverfahrens lässt sich das metallische Bauteil mit entsprechenden Vorsprüngen sehr schnell und kostengünstig herstellen. Generative Verfahren sind Herstellungsverfahren, bei denen ein Bauteil lagenweise durch das gezielte Schmelzen eines Vorproduktes (z. B. Pulver oder Draht) ohne „Umwege”, d. h. ohne weitere thermo-mechanische Prozessschritte, und endkonturnah aufgebaut wird.
Diese generativen Herstellungsverfahren zur direkten Bauteilgenerierung können Pulverbett-, Pulverdüse-, drahtdüsebasiert oder anderweitig basierten sein und sind in der Fachwelt unter einer Vielzahl von Namen bzw. Bezeichnungen bekannt, beispielsweise „Direct Metal Laser Sintering” (DMLS), „Lasercusing”, „Selective Laser Melting (SLM)”, „Electron Beam Freeform Fabrication EBFFF”, „Laser consolidation (LC)”, „Laser cladding”, „3DWire”, „Controlled Metal Buildup (CMB)” oder selektives Lasersintern (SLS), und werden ganz allgemein auch als „Rapid-Prototyping”, „Rapid Manufacturing” oder „Additive Layer Manufacturing (ALM)” bezeichnet. Bei der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt Pulverbett-, Pulverdüse- und Drandüse-Verfahren verwendet.
Den oben genannten generativen Herstellungsverfahren ist gemein, dass ein Ausgangswerkstoff durch eine Wärmequelle (z. B. einem Laser- oder einem Elektronenstrahl oder Lichtbogen) lokal aufgeschmolzen wird und sofort danach wieder erstarrt. So wird inkrementell die 3-dimensionale Bauteilgeometrie mehr oder minder Punkt für Punkt bzw. Schritt für Schritt schichtweise bzw. lagenweise aufgebaut.
Das Herstellen der metallischen Vorsprünge mit einem generativen Herstellungsverfahren hat somit den weiteren Vorteil, dass die Form sowie die Anordnung, beispielsweise die Anordnungsdichte der Vorsprünge, genau und flexibel eingestellt werden kann. Die Vorsprünge können so angeordnet und konstruiert sein, dass die Verbindung zwischen Faserverbundwerkstoff und metallischem Bauteil optimal ausgelegt ist, um auftretende Belastungen zu tragen und/oder um eine möglichst faserschonende Reparatur durchzuführen. Die Gestalt, Anzahl und Anordnung sowie Material der Vorsprünge kann das Ergebnis einer rechnergestützen Optimierung sein, z. B. bionische Topologieoptimierung mittels Software wie z. B. Altair Optistruct oder TOSCA.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dient das Verfahren zur Reparatur von Faserverbund-Bauteilen, d. h. realen Bauteilen, die aus einem „fertigen”, d. h. ausgehärteten, Faserverbundwerkstoff bestehen. Derartige Bauteile können zum Beispiel Strukturbauteile in Luftfahrzeugen oder Kraftfahrzeugen sein. Falls in derartigen Faserverbund-Bauteilen Risse auftreten, beeinträchtigen diese die mechanische Festigkeit des Bauteils, was zu einem Ausfall des Bauteils führen kann. Um diese nachteiligen Auswirkungen zu stoppen bzw. zu eliminieren wird zu Reparaturzwecken des Faserverbund-Bauteils das metallische Bauteil mit dem Faserverbund-Bauteil derart verbunden, dass die Vorsprünge des metallischen Bauteils in das Faserverbund-Bauteil hineingedrückt werden, vorzugsweise voll ständig, d. h. die Vorsprünge befinden sich ganz in dem Faserverbund-Bauteil. Zweckmäßigerweise wird das metallische Bauteile mit seinen Vorsprüngen an einer Stelle des Faserverbund-Bauteils in dieses hineindrückt, welche nahe an dem Riss oder eines anderen Defektes ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Risslänge sich zumindest teilweise mit der Länge der Vorsprünge überlappt. Beim Hineindrücken der Vorsprünge wird das Faserverbund-Bauteil zwar beschädigt, aber gleichzeitig entsteht eine Verzahnung zwischen Vorsprüngen und Faserverbund-Bauteil, so dass dadurch eine form- und kraftschlüssige Verbindung geschaffen wird. Auf diese Weise können Risse oder andere Defekte in einem Faserverbund-Bauteil quasi „in-situ” repariert werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Faserverbund-Bauteil fest eingebunden ist (z. B. in einem Luft- oder Kraftfahrzeug) und nicht ohne Weiteres bzw. nur mit erheblichem Kosten- und/oder Zeitaufwand ausgewechselt werden kann.
Das metallische Bauteil besteht vorzugsweise aus Titan oder einer Titanlegierung. Titan und Titanlegierungen lassen sich sehr gut mittels generativen Verfahren verarbeiten und daraus hergestellte Bauteile haben ausreichende mechanische Festigkeiten bei geringem Gewicht, was sowohl für Luftfahrt- als auch für Kraftfahrzeuganwendungen vorteilhaft ist.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dient das Verfahren zur Bildung einer Metall/Faserverbundwerkstoff-Anordung. Dabei wird der Faserverbundwerkstoff auf dem metallischen Bauteil bzw. auf einem Abschnitt des metallischen Bauteils aufgebaut. Zu diesem Zweck werden Fasermaterialien auf das metallische Bauteil, insbesondere auf einem zu verbindenden Abschnitt des metallischen Bauteils, aufgebracht.
Die Fasermaterialien können einzelne Fasern oder Rovings sein, wie zum Beispiel Kohlenstofffasern oder Glasfasern. Die Fasermaterialen können aber auch andere Faserverbund-Halbzeuge sein, wie zum Beispiel Gewebe, Gelege, Geflechte, Fasermatten oder Prepreg-Materialien.
Vorzugsweise werden die Fasermaterialien derart auf dem metallischen Bauteil angeordnet, dass sie die Vorsprünge des metallischen Bauteils umgeben. Dies hat den Vorteil, dass die Fasermaterialien nicht geschädigt werden, was andernfalls eine Reduzierung der mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs zur Folge hätte.
Typischerweise werden die Fasermaterialien schichtweise auf dem metallischen Bauteil abgelegt, so dass der Faserverbundwerkstoff lagenweise aufgebaut wird. Dies ermöglicht einen an die jeweilige Anwendung des Bauteils angepassten Aufbau des Faserverbundwerkstoffs, so dass beispielsweise Kräfte in zumindest einer bevorzugten Richtung besonders gut aufgenommen werden können.
Der auf dem metallischen Bauteil bzw. auf einem zu verbindenden Abschnitt des metallischen Bauteils aufgebaute Faserverbundwerkstoff kann anschließend mit einem Matrixmaterial infiltriert und ausgehärtet werden. Das Aushärten kann durch eine Wärmebehandlung, d. h. thermisch, oder durch UV-Strahlung erfolgen. Das geeignete Verfahren hängt vom verwendeten Matrixmaterial ab. Als Matrixmaterialien kommen insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe (Kunstharze) in Betracht, die typischerweise in flüssiger Form in den Faserverbundwerkstoff eingebracht werden (Infiltration) und z. B. thermisch (z. B. im Autoklaven) ausgehärtet werden. Beim Aushärten des Matrixmaterials wird die form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Faserverbundwerkstoff und dem metallischen Bauteil hergestellt. Das ausgehärtete Matrixmaterial mit den darin eingebetteten Fasermaterialien bildet den Faserverbundwerkstoff. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann das metallische Bauteil aus einer Titan oder einer Titanlegierung bestehen.
Dieses Verfahren kann z. B. verwendet werden, um ein Laminat aus einer metallischen Platte und einem darauf liegenden Faserverbundwerkstoff herzustellen. Dieses Verfahren kann auch verwendet werden, um ein metallisches Bauteil mit einem daneben angeordneten Faserverbundwerkstoff derart zu verbinden, dass die Randbereiche der beiden Komponenten in einem Überlappungsbereich miteinander verbunden werden.
Bei dieser überlappenden Anordnung kann das metallische Bauteil einen seitlich herausragenden Bereich aufweisen, auf dem die Vorsprünge aufgebaut werden. Die Vorsprünge sowie der herausragende Bereich des metallischen Bauteils können vollständig in den Faserverbundwerkstoff „hineinragen”, um das metallische Bauteil und den Faserverbundwerkstoff form- und/oder kraftschlüssig miteinander zu verbinden. Auf diese Weise kann eine Metall/Faserverbundwerkstoff-Anordnung geschaffen werden, die eine zuverlässige, mechanisch belastbare Verbindung zwischen den zwei unterschiedlichen Materialien aufweist. Dieses Verfahren wird beispielsweise verwendet, um Fußbodenleisten für Luftfahrzeuge herzustellen.
Bevorzugt wird zum schichtweisen Aufbau der metallischen Vorsprünge an einer aufzubauenden Stelle ein Ausgangswerkstoff (z. B. Titan) bereitgestellt und von einer Wärmequelle lokal aufgeschmolzen, der unmittelbar danach wieder erstarrt. Der Ausgangswerkstoff kann dabei auf einem Substrat, auf dem die Vorsprünge aufgebaut werden, bereitgestellt werden oder das gesamte Bauteil mit Vorsprüngen wird aus einem Pulverbett, bestehend aus dem Ausgangswerkstoff, generiert.
Dabei wird zweckmäßigerweise die Wärmequelle über der aufzubauenden Stelle definiert geführt, um schichtweise die Vorsprünge bzw. das metallische Bauteil herzustellen.
Vorzugsweise wird als Wärmequelle ein Laser, ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen verwendet.
Der Ausgangswerkstoff kann in Form eines Drahts oder eines Pulvers vorliegen. Einige metallische Pulver haben jedoch den Nachteil, dass sie leicht brennbar und/oder giftig sind, so dass sie nur unter streng kontrollierten Bedingungen verwendet werden können. Die Verwendung eines Drahts als Ausgangswerkstoff hat den Vorteil, dass die Schwierigkeiten, die mit der Verwendung metallischer Pulver verbunden sind, vermieden werden können. Ein Metall in Drahtform ist nicht nur einfacher zu handhaben, sondern auch häufig kostengünstiger, da seine Herstellung einfacher ist.
Die metallischen Vorsprünge können unterschiedliche Formen und Materialien aufweisen. Die jeweiligen Vorsprünge können z. B. eine stiftförmige oder tigerzahnförmige Gestalt aufweisen, die das Ergebnis z. B. einer biologischen Topologieoptimierung ist. Sie können dabei senkrecht oder schräg zum metallischen Bauteil verlaufen.
Die einzelnen Vorsprünge des metallischen Bauteils können beliebige und unterschiedliche Formen und Materialien aufweisen. Ein Teil kann schräg aus Reintitan und das andere Teil kann senkrecht aus einer Alpha-Beta-Titanlegierung aufgebaut werden. Ferner kann ein Teil z. B. die Form eines Stifts aufweisen, während der andere Teil in Form eines Tigerzahns aufgebaut werden kann. Diese unterschiedlichen Formen können mit wenig Aufwand durch ein generatives Herstellungsverfahren geformt werden, da nur das Computerprogramm, das die Wärmequelle über dem Ausgangswerkstoff steuert, entsprechend programmiert werden muss.
Die Anordnung und/oder die Gestalt sowie das Material, z. B. auch Materialgradient, der Vorsprünge kann abhängig von der Belastung der Verbindung im Betrieb eingestellt werden. Wenn zum Beispiel die Belastung in der Mitte der Verbindungsfläche höher ist, als die Belastung an den Rändern der Verbindungsstelle, können längere Vorsprünge mit einer höheren Anordnungsdichte in Mittelbereich und kürzere Vorsprünge im Randbereich vorgesehen werden. Wenn zum Beispiel die Verbindungsstelle in einer Richtung quer zu den Vorsprüngen auf Zug bean sprucht wird, ist es vorteilhaft, die Vorsprünge in Form eines Tigerzahns aufzubauen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines metallischen Bauteils und eines Faserverbundwerkstoffs kann verwendet werden, um einen vorgefertigten ausgehärteten Faserverbundwerkstoff zu reparieren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch verwendet werden, um ein Strukturbauteil herzustellen, bei dem eine metallische Komponente und ein Faserverbundwerkstoff miteinander verbunden sind. In beiden Ausführungsbeispielen werden Vorsprünge auf dem metallischen Bauteil mit einem generativen Herstellungsverfahren schichtweise aufgebaut, wobei die Dichte und Form der Vorsprünge an die gewünschte Belastbarkeit anpassbar ist, so dass die Verbindung zwischen dem Faserverbundwerkstoff und dem metallischen Bauteil eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Herstellens eines metallischen Bauteils mit Vorsprüngen mittels generativem Verfahren;
2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines alternativen generativen Herstellungsverfahrens für ein metallisches Bauteils mit Vorsprüngen;
3a zeigt eine Draufsicht auf ein metallisches Bauteil, das eine erste Anordnung von Vorsprüngen aufweist;
3b zeigt eine Draufsicht auf ein metallisches Bauteil, das eine zweite Anordnung von Vorsprüngen aufweist;
3c zeigt eine Draufsicht auf ein metallisches Bauteil, das eine dritte Anordnung von Vorsprüngen aufweist;
4a zeigt einen zu reparierenden Faserverbundwerkstoff mit einem Riss,
4b zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Reparatur des in 4a dargestellten Faserverbundwerkstoffs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein metallisches Bauteil mit Vorsprüngen in den Faserverbundwerkstoff eingebracht wird;
5 zeigt das schichtweise Aufbringen von Fasermaterialien auf ein metallisches Bauteil mit Vorsprüngen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
6 zeigt in schematischer Darstellung das Einbringen eines Matrixmaterials in die auf dem metallischen Bauteil abgelegten Fasermaterialien;
7 zeigt die Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einem Faserverbundwerkstoff nach dem Aushärten; und
8 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil und einem ausgehärteten Faserverbundwerkstoff.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein metallisches Bauteil 1, das eine Vielzahl von Vorsprüngen 2 aufweist. Die Vorsprünge 2 werden mit einem generativen Herstellungsverfahren schichtweise (Pfeilrichtung A) auf einem metallischen Substrat 1A aufgebaut. Die einzelnen Schichten 10, 10', 10'' sind in 1 mit gestrichelten Linien 3 dargestellt. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Vorsprünge 2 jeweils eine stiftförmige Gestalt auf und erstrecken sich senkrecht zur Oberfläche 4 des metallischen Substrats 1A.
Zum Herstellen eines Vorsprungs 2' wird ein Ausgangswerkstoff 5 auf die Oberfläche 4 des metallischen Substrats 1A aufgebracht und mit einem fokussierten Laserstrahl 6, der als Wärmequelle dient, lokal aufgeschmolzen. Der geschmolzene Bereich des Ausgangswerkstoffs 5 ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Der Bereiche 8 des Vorsprungs 2', der sich außerhalb des geschmolzen Bereichs 7 befinden, bleibt fest. Der Ausgangswerkstoff 5 kann in Form eines lateral oder koaxial zugeführten Pulvers oder Drahts 9 bereitgestellt werden, der vorzugsweise aus Titan oder einer Titanlegierung besteht und einen Durchmesser von ca. 1,0 mm aufweist.
Der Laserstrahl 6 sowie der Draht 9 werden über die Oberfläche 4 des metallischen Substrats 1A geführt, wobei das Ende des Drahts 9 aufgeschmolzen wird. Die Bewegung des Laserstrahls 6 und des Drahtes 9 sind in 1 mit Pfeil B bezeichnet. Das geschmolzene Material erstarrt schnell wieder, wenn der Laserstrahl 6 sich in Pfeilrichtung B weiterbewegt. Auf diese Weise wächst ein fester Bereich 11 einer Schicht 10 eines Vorsprungs.
Der Laserstrahl 6 und der Draht 9 werden dann zu der Stelle eines aufzubauenden zweiten Vorsprungs 2'' geführt, und eine Schicht 10 dieses zweiten Vorsprungs 2'' wird in analoger Weise hergestellt.
Zum Herstellen der zweiten Schicht 10' auf den Vorsprüngen 2, 2', 2'' werden der Laserstrahl 6 und der Draht 9 so geführt, dass sie auf die Oberfläche 12 der hergestellten ersten Schicht 10 auftreffen. Eine dritte Schicht 10'' wird dann auf der Oberfläche 12' der zweiten Schicht 10' aufgebracht. Die Vorsprünge 2' und 2'' werden so in Pfeilrichtung lagen- bzw. schichtweise aufgebaut, bis sie die gewünschte Höhe aufweisen.
2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines alternativen generativen Herstellungsverfahrens für ein metallisches Bauteil 1 mit Vorsprüngen 2. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In 2 liegt der Ausgangswerkstoff 5 in Form eines Pulvers 13 (z. B. Titan oder eine Titanlegierung) vor. Eine Ausgangspulverschicht 14 wird auf der Oberfläche 4 eines metallischen Substrats 1A aufgebracht. Anschließend wird ein Laserstrahl 6 auf die Ausgangspulverschicht 14 gerichtet, wobei ein lokaler Bereich 7 der Ausgangspulverschicht 14 aufgeschmolzen wird und wieder erstarrt, so dass eine feste Schicht 10 eines Vorsprungs 2' in Pfeilrichtung B wächst. Danach wird der Laserstrahl 6 auf eine zweite aufzubauende Stelle gerichtet, um eine Schicht 10 eines zweiten Vorsprungs 2'' herzustellen. Eine weitere Ausgangspulverschicht 14' wird aufgebracht und der Laserstrahl 5 so auf die Oberfläche 12 gerichtet, dass eine weitere Schicht 10' auf den Vorsprüngen 2', 2'' entsteht. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis Schicht für Schicht die Vorsprünge die gewünschte Höhe aufweisen.
Alternativ kann das gesamte metallische Bauteil 2 mit seinen Vorsprüngen 2 aus einem derartigen Pulverbett hergestellt werden; d. h. ein separates Substrat 1A ist nicht erforderlich sondern kann mit Hilfe des voranstehend beschriebenen generativen Verfahren selbst erzeugt werden, auf dem anschießend, wie beschrieben, die Vorsprünge aufgebaut werden.
Bei beiden generativen Herstellungsverfahren können die Vorsprünge 2 unterschiedliche Formen aufweisen. Sie können z. B. stiftförmig oder tigerzahnförmig ausgebildet sein. Sie können senkrecht oder schräg zur Oberfläche 4 des metallischen Substrats 1A verlaufen. Die Vorsprünge 2 können in verschiedenen Mustern, d. h. in unterschiedlicher Dichte, angeordnet sein. 3 zeigt in Draufsicht drei Varianten:
In 3a sind die Vorsprünge 2 in einer Vielzahl von Reihen und Spalten angeordnet, wobei die Vorsprünge 2 in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind. In 3b sind die Vorsprünge 2 in Spalten angeordnet, wobei die Vorsprünge 2 einer Spalte in Bezug auf die benachbarten Spalten versetzt sind. Die Anzahl der Vorsprünge 2 der einzelnen Spalten kann voneinander verschie den sein. In 3c nimmt die Anzahl der Vorsprünge in den Spalten von links nach rechts zu. Selbstverständlich sind viele andere Anordnungen denkbar. Ebenso kann die Höhe bzw. Länge sowie die Breite und die Querschnittsform entsprechend variiert werden bzw. an die Belastung der Verbindung im Betrieb angepasst werden. In Bereichen der Verbindung, wo hohe Lasten auftreten, können Dichte, Höhe und Breite der Vorsprünge 2 erhöht werden.
Das metallische Bauteil 1 mit seinen Vorsprüngen 2 wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Reparatur von Faserverbund-Bauteilen verwendet, was nachstehend im Zusammenhang mit den 4a und 4b beschrieben wird.
In 4a ist ein ausgehärtetes Bauteil aus Faserverbundwerkstoff 15 dargestellt. Ein derartiges Faserverbund-Bauteil 15 kann zum Beispiel eine Strebe oder Stütze eines Luftfahrzeuges oder eines Kraftfahrzeuges sein. Das in 4a dargestellten Faserverbund-Bauteil 15 weist einen Riss 16 auf, der die mechanischen Eigenschaften des Bauteils 15 negativ beeinträchtigt. Zur Reparatur des Faserverbund-Bauteils 15 wird dieses mit dem metallischen Bauteil 1 derart verbunden, dass die Vorsprünge 2 des metallischen Bauteils 1 in das Faserverbund-Bauteil 15 hineingedrückt werden. Dieses Hineindrücken ist in 4a mit Pfeilen C schematisch dargestellt. Selbstverständlich ist auch ein schräges Hineindrücken möglich. Die Vorsprünge 2 werden in das Faserverbund-Bauteil 15 eingebracht; dabei wird der Werkstoff 15 zwar beschädigt, aber gleichzeitig entsteht eine Verzahnung, so dass eine form- und/oder kraft-schlüssige Verbindung 17 zwischen den Vorsprüngen 2 und dem Faserverbund-Bauteil 15 entsteht (4b), wodurch die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit des Faserverbund-Bauteils 15 wieder erhöht wird. Bevorzugt werden die Vorsprünge 2 in einen Bereich des Faserverbund-Bauteils 15 eingebracht, in dem sich der Riss 16 befindet (4b). Das reparierte Faserverbund-Bauteil 15 (4b) kann Belastungen parallel zur Oberfläche 4 des metallischen Bauteils 1 wieder ausreichend Stand halten. Diese Belastung ist in 4b mit Pfeilen D schematisch angedeutet.
In 4a und 4b weisen die Vorsprünge 2 die Gestalt eines Tigerzahns auf. Diese Form ermöglicht einen verbesserten Form- und Kraftschluss zwischen den Vorsprüngen 2 und dem Faserverbund-Bauteil 15, sowohl in Richtungen parallel sowie senkrecht zur Oberfläche 4 des metallischen Bauteils 1.
5 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Herstellens einer Verbindung zwischen einem metallischen Bauteil 1 und einem Faserverbundwerkstoff gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wie in 5 schematisch dargestellt ist, wird der Faserverbundwerkstoff schichtweise aufgebaut; hierzu werden Fasermaterialien 18 Lage für Lage derart übereinander gelegt, dass die Fasermaterialien 18 zumindest teilweise auch auf dem metallischen Bauteil 1 aufliegen und die Vorsprünge 2 umgeben. Als Fasermaterialen 18 werden typischerweise Kohlenstoff- oder Glasfasern verwendet. Daneben können auch Fasermaterialien 18 in Form von Geflechten, Gelegen oder Prepregs verwendet werden. Die einzelnen Schichten der Fasermaterialien 18 sind in 5 mit gestrichelten Linien 19 schematisch dargestellt.
Nach dem schichtweisen Aufbau des Faserverbundwerkstoffes werden die Fasermaterialien 18 mit einer Matrix 20 infiltriert (6). Die Matrix 20 kann z. B. in Form eines flüssigen Kunststoffs 21, beispielsweise eines Duroplasten, in die Fasermaterialien 18 eingebracht werden. Anschließend wird die Matrix 20 ausgehärtet, um einen mechanisch festen Faserverbundwerkstoff 22 zu erhalten, wobei gleichzeitig eine Verbindung 23 zwischen dem Faserverbundwerkstoff 22 und dem metallischen Bauteil 1 hergestellt wird (7). Je nach Art der verwendeten Fasermaterialien 18 kann der Faserverbundwerkstoff 22 z. B. ein kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoff (CFK) oder ein glasfaserverstärkter Verbundwerkstoff (GFK) sein.
8 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Verbindung 23' zwischen einem metallischen Bauteil 1' und einem Faserverbundwerkstoff 22'. Wie in 8 zu sehen ist, weist das metallische Bauteil 1' einen vorstehenden Teil 24 auf, der sich von der Mitte einer Randseite 25 des metallischen Bauteils 1' erstreckt. Die Vorsprünge 2' sind auf der Oberseite 26 sowie auf der Unterseite 27 des vorstehenden Teils 24 angeordnet. Die Verbindung 23' wird analog der Ausführungsform gemäß 4a und 4b hergestellt; Fasermaterialien 18 werden schichtweise um die Vorsprünge 2' des metallischen Bauteils 1' abgelegt, anschließend mit einer Matrix 22' infiltriert und ausgehärtet. Bei der resultierenden Metall/Faserverbundwerkstoff-Anordnung sind die Vorsprünge 2' sowie der vorstehende Teil 24 des metallischen Bauteils 1' vollständig in dem Faserverbundwerkstoff 22' eingebettet und sehen eine form- und kraftschlüssige Verbindung 23' bzw. einen form- und kraftschlüssigen Übergang zwischen dem metallischen Bauteil 1' und dem Faserverbundwerkstoff 22' vor. Solch eine Anordnung wird zum Beispiel für Fußbodenleisten in einem Flugzeug verwendet.

1: metallischen Bauteil
1A: metallisches Substrat
2: Vorsprung
3: Schicht
4: Oberfläche des metallischen Bauteils
5: Ausgangswerkstoff
6: Laserstrahl
7: geschmolzener Bereich
8: fester Bereich
9: Draht
10: Schicht
11: wieder erstarrter Bereich
12: Oberfläche
13: Pulver
14: Pulverschicht
15: Faserverbundwerkstoff
16: Riss
17: Verbindung
18: Fasermaterialien
19: Schicht
20: Matrixmaterial
21: flüssiger Kunststoff
22: Faserverbundwerkstoff
23: Verbindung
24: vorstehender Teil des Metallteils
25: Randseite
26: Oberseite
27: Unterseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5862975 [0004]

Claims

Verfahren zum Verbinden eines Faserverbundwerkstoffs (15; 22) mit einem metallischen Bauteil (1), das folgende Schritte aufweist: schichtweiser Aufbau einer Vielzahl von Vorsprüngen (2) mittels generativem Herstellungsverfahren zur Bildung eines metallischen Bauteils (1) mit einer Vielzahl von Vorsprüngen (2); und Zusammenfügen des Faserverbundwerkstoffs (15; 22) und des metallischen Bauteils (1) derart, dass die Vorsprünge (2) in den Faserverbundwerkstoff (15; 22) eindringen und der Faserverbundwerkstoff (15; 22) form- und/oder kraftschlüssig mit dem metallischen Bauteil (1) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfügen von Faserverbundwerkstoff (15) und metallischem Bauteil (1) die Vorsprünge (2) des metallischen Bauteils (1) in ein ausgehärtetes Bauteil aus Faserverbundwerkstoff (15) hineingedrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zusammenfügen des Faserverbundwerkstoffs (22) und des metallischen Bauteils (1) Fasermaterialien (18) auf das metallische Bauteil (1) aufgebracht werden und anschließend ein Matrixmaterial (20) in die Fasermaterialien (18) eingebracht und ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermaterialien (18) derart auf dem metallischen Bauteil (1) angeordnet werden, dass sie die Vorsprünge (2) umgeben.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermaterialien (18) schichtweise auf das metallische Bauteil (1) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Fasermaterialien (18) in Form von Fasern, Rovings, Geweben, Gelegen, Geflechten oder Prepregs verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aushärten die form- und/oder kraftschlüssige Verbindung (23) zwischen dem Faserverbundwerkstoff (22) und dem metallischen Bauteil (1) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum schichtweisen Aufbau der Vorsprünge (2) an einer aufzubauenden Stelle (4) ein Ausgangswerkstoff (8; 13) bereitgestellt wird und von einer Wärmequelle (5) lokal aufgeschmolzen wird und unmittelbar danach wieder erstarrt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (5) über der aufzubauenden Stelle (4) definiert geführt wird, um schichtweise die Vorsprünge (2) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle (5) ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtförmiger Ausgangswerkstoff (8) oder ein pulverförmiger Ausgangswerkstoff (13) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anteil der Vorsprünge (2) in Form eines Stifts aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anteil der Vorsprünge (2) in Form einer bionisch optimierten Struktur aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anteil der Vorsprünge (2) schräg aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung und/oder die Gestalt der Vorsprünge (2) abhängig von der Belastung der Verbindung (16) im Betrieb eingestellt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Herstellen eines Strukturbauteils eines Luftfahrzeuges.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 und 9 bis 17 zur Reparatur eines Faserverbundbauteils.