DE102010007824B4

DE102010007824B4 - Verfahren zum Fügen und zur Herstellung von Kohlenstofffaserverbundbauteilen

Info

Publication number: DE102010007824B4
Application number: DE201010007824
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Ziegmann Gerhard; Cand.-Ing. Surjoseputro Widyanto; Dipl.-Ing. Niemeyer Sonja
Original assignee: Technische Universitaet Clausthal
Current assignee: Technische Universitaet Clausthal
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2014-09-04
Anticipated expiration: 2030-02-12
Also published as: DE102010007824A1

Abstract

Verfahren zum Fügen von duroplastischen Kohlenstofffaserverbundbauteilen oder -rohlingen untereinander oder von duroplastischen mit thermoplastischen Bauteilen oder Rohlingen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bauteile oder Rohlinge durch Widerstandsschweißen verbunden werden, dass für das Widerstandsschweißen Kohlenstofffasertextilien mit Gewebestruktur oder Vliesstruktur als Heizelemente verwendet werden, wobei diese mit Wechselstrom beaufschlagt werden, dass die Kohlenstofffasertextilien auf ihren Oberflächen mit einem Thermoplasten imprägniert sind oder mit diesem durchgehend getränkt sind, dass mit Hilfe jeweils einer imprägnierten Kohlenstofffasertextilie zwei duroplastische Bauteile oder Rohlinge oder ein duroplastischer mit einem thermoplastischen Bauteil oder Rohling verbunden werden, wobei die duroplastischen Bauteile oder Rohlinge wenigstens auf ihrer der imprägnierten Kohlenstofffasertextilie zugewandten Duroplastoberfläche eine intermolekular angebundene Thermoplastfolie (Anbindungs-Folie) von maximal 300 μm Dicke tragen und dass ein Verschweißen der genannten Strukturen unter Einbindung der leitenden Kohlenstofffasertextilie erfolgt, wobei die intermolekulare Verbindung zwischen Duroplast und thermoplastischer Anbindungs-Folie dadurch hergestellt wird, dass eine polymerisierte Thermoplastfolie auf die Oberfläche des Duroplasten vor oder während seiner Aushärtung aufgebracht wird, insbesondere durch Einlegen in ein Duroplast-Formguss-Werkzeug vor Einbringen eines Duroplast-Rohmaterials oder durch Auflegen auf eine aushärtende Duroplast-Schicht oder einen aushärtenden Duroplast-Formkörper.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von duroplastischen Kohlenstofffaserverbundbauteilen oder -rohlingen untereinander oder von duroplastischen mit thermoplastischen Bauteilen oder Rohlingen, ein mit derselben Verbundtechnik arbeitendes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils oder Rohlings aus einem Kohlenstofffaserverbundmaterial, welches Kohlenstofffaser-, Thermoplast- und Duroplastbereiche enthält, einen zugehörigen Faserverbundwerkstoff sowie Bauteile aus dem Verbundwerkstoff.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Arbeitsgebiet der faserverstärkten Kunststoffe und insbesondere kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK). Diese Werkstoffe sind leicht, dabei von hoher Festigkeit, Formstabilität und Elastizität und können in ihren Eigenschaften durch Variation der Kunststoffe, der Fasern und der Komposit-Struktur an den jeweiligen Gebrauchszweck angepasst werden. Es besteht daher eine hohe Nachfrage für neue Werkstoffe dieser Art. Besonders im Transportwesen ist der Einsatz von Leichtbaustrukturen, die eine große Energieeffizienz besitzen, hochinteressant.
Ein großes Interesse besteht in dieser Hinsicht an kohlenstofffaserverstärkten Duroplasten. Kunststoffe lasen sich nach ihrem chemischen Aufbau in die Gruppen der unvernetzten, häufig linear aufgebauten, thermoplastischen Polymere (Thermoplaste, TP), der leichter vernetzten Elastomere und der stark vernetzten Duromere oder Duroplaste (DP) einteilen. Die Vernetzung der Duroplaste wird auch als Aushärtung bezeichnet, dabei kann es sich um eine vernetzende Polymerisation oder beispielsweise eine Polyaddition oder Polykondensation handeln. Nach der Aushärtung, bei der auch die Formgebung stattfinden muss, lassen sich Duroplaste nicht mehr schmelzen. Sie können also nicht mit ökonomisch und ökologisch effizienten Verfahren geschweißt oder heiß umgeformt werden.
Während sich Thermoplaste und Kohlenstofffasern relativ leicht zu Kompositien verbinden lassen, indem die Kohlenstofffasern in die Thermoplastschmelze eingebettet werden und die Thermoplaste jederzeit reversibel thermisch umgeformt und untereinander verschweißt werden können, bereitet bei der Verarbeitung von Duroplasten die Fügetechnik größere Probleme. Es sind daher besondere Techniken für das Verbinden duroplastischer Materialien mit Kohlenstofffasern erforderlich.
Um die Eigenschaftsprofile von Duroplasten und Thermoplasten zu verbinden, kann es auch erwünscht sein, in einem faserverstärkten Bauteil oder Rohling sowohl duroplastische als auch thermoplastische Bereiche nebeneinander vorliegen zu haben. Die nachträgliche Verbindung Thermoplast/Duroplast oder Duroplast/Duroplast durch Schweißprozesse ist jedoch problematisch und wird noch nicht in industriell brauchbarer Weise beherrscht. Ferner bereitet es Schwierigkeiten, Grundbauteile oder Rohlinge zu größeren Baugruppen zu verbinden.
Ein wichtiger Einsatzbereich duromerer Faserverbunde ist der Flugzeugbau. Der Zusammenbau der Einzelteile aus kohlenstofffaserverstärkten Duromeren (in erster Linie Epoxidharzsystemen) erfolgt noch wie in der klassischen Metallbauweise größtenteils durch Nieten oder durch Klebeverbindungen.
Aufgrund der Nachteile des Niet-Verfahrens, die sich im Wesentlichen auf das Gewicht der Verbindungselemente und das Strukturmehrgewicht beziehen, gewinnt das Kleben, trotz aller damit verbundener Nachteile wie aufwändiger Oberflächenvorbereitung und langen Klebezyklen, als Verbindungstechnik von Faserverbundbauteilen an Bedeutung. Eine interessante Alternative könnte im Verschweißen von CFK-Bauteilen (CFK = Carbonfaserverstärkter Kunststoff) zu sehen sein. Aufgrund der vernetzten Struktur der Duroplaste lässt sich das Schweißen bisher nur auf thermoplastische Bauteile anwenden.
So ist es bekannt, wie kohlenstofffaserverstärkte Polyetherimid-Komposits durch Widerstandsschweißen mit PEI-imprägnierten CF-Gewebe-Prepregs verbunden werden können. Dieses Verfahren kann wegen der vernetzten Struktur von Duroplasten nicht auf das Verbinden Duroplast/Duroplast oder Duroplast/Thermoplast übertragen werden.
Aus der US 5,225,025 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatisierten Widerstandsschweißen bekannt bei dem wenigstens zwei Materialien unter Anwendung von Hitze und Druck verschweißt werden. Generell wird das Widerstandsschweißen zweier thermoplastischer Materialien beschrieben. In speziellen Beispielen ist die Bearbeitung beliebiger Materialien angegeben, die an ihrer Oberfläche mit einer dann zwangsläufig schmelzbaren Harzschicht versehen sind.
Die DE 42 21 454 A1 beschreibt die Verbindung eines elektrisch leitfähigen Fasergewebes aus Kohlefaserfäden mit einem härtbaren Kunstharz zur Herstellung eines Heizelements. Das Kohlenstofffasergewebe wird mit dem Kunstharz imprägniert, indem es vor dem Härten in das Kunstharz eingebettet wird. Dabei wird auch eine Konsolidierung des Elements durch Druck beschrieben, die die elektrische Leitfähigkeit des Gewebes verbessert und vergleichmäßigt. Die Herstellung komplexerer Bauteile und die Einbindung anderer Materialien werden nicht beschrieben. Auch werden Probleme bei der Herstellung größerer Bauteile nicht behandelt.
Aus der Veröffentlichung C. Ageorges, L. Ye: Resistance welding of thermosetting composite/thermoplastic composite joints. In: Composites Part A: applied science and manufacturing. Elsevier Science, 32, 2001, 1603–1612 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffaserlaminats mit thermoplastischen und duroplastischen Anteilen bekannt, bei dem die Kompatibilität zwischen Duroplast und Thermoplast über eine Glasfaserzwischenschicht hergestellt wird. Dabei wird eine trockene Glasfasermatte einseitig mit Thermoplast (PEI) imprägniert und auf der anderen Seite mit dem Duroplasten (Epoxyharz) verbunden. Diese mit Thermoplast kompatibel gemachten Verbundteile können dann mit Hilfe eines Heizelements aus einem thermoplastisch imprägnierten Kohlenstofffaser-Prepreg im Widerstandsschweißverfahren gefügt werden. Nachteilig ist, dass die Glasfasermatte(n) für die mechanischen Eigenschaften des Gesamtbauteils nicht vorteilhaft oder unerwünscht sind und das Gesamtgewicht daher unnötig erhöhen.
Aus der US 5 643 390 A ist ein Verfahren zum Verbinden thermoplastischer Polymere und thermisch aushärtbarer Harze über ein weiteres Polymer als Zwischenschicht bekannt, wobei die Zwischenschicht mit beiden der zu verbindenden Materialien kompatibel ist. Die Zwischenschicht verzahnt sich während der Herstellung des Bauteils und vor dem endgültigen Aushärten des Duroplasten. Die erhaltenen Laminate wurden vorzugsweise verklebt. Untersuchungen zum Schmelzfügen der Laminate verliefen unbefriedigend.
Es besteht daher das dringende Bedürfnis, die Wirtschaftlichkeit und insbesondere die Montage- bzw. Fertigungsgeschwindigkeit bei Bauteilen aus Duroplastfaserverbunden oder solchen mit Duroplastanteil zu erhöhen.
Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein neues Fügeverfahren für in erster Linie duroplastische Faserverbundbauteile zur Verfügung zu stellen, das eine technisch zuverlässige, wirtschaftliche und gewichtsreduzierende Alternative zu bestehenden Verfahren darstellt.
Auch die Herstellung von duroplastischen CFK-Basisbauteilen selbst ist im Stande der Technik mit Problemen behaftet. Da Duroplaste aus flüssiger Phase unmittelbar zur Endform aushärten, also nicht mehr umformbar sind, sind die geometrischen Möglichkeiten für die Kompositstrukturen aus Kohlenstofffaser und Duroplast beschränkt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Herstellungsverfahren für Rohlinge oder Basisbauteile, die Kohlenstofffasern und Duroplaste enthalten, zur Verfügung zu stellen, das die Herstellung auch größerer, flächenmäßig ausgedehnter Bauteile ermöglicht. Nachteile im Stand der Technik sollen vermieden werden.
Die Aufgaben werden gelöst durch die Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, den Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 9 und das Bauteil nach Anspruch 10.
Für das Widerstandsschweißen werden Kohlenstofffasergebilde mit Gewebestruktur oder Vliesstruktur – im Folgenden auch unter dem Begriff ”Kohlenstofffasertextilien” zusammengefasst, die auch weitere alternative Faserverbindungs- oder Faserverwirktechniken beinhalten können – als Heizelemente (alternative Bezeichnung: Schweißelektroden) verwendet, wobei diese mit Wechselstrom beaufschlagt werden, die Kohlenstofffasermatten bzw. -textilien sind auf ihren Oberflächen mit einem Thermoplasten imprägniert oder mit diesem durchgehend getränkt, mit Hilfe jeweils einer imprägnierten Kohlenstofffasermatte oder -textilie werden entweder zwei duroplastische Bauteile oder Rohlinge verbunden oder es wird ein duroplastischer mit einem thermoplastischen Bauteil oder Rohling verbunden, wobei die duroplastischen Bauteile oder Rohlinge wenigstens auf ihrer der imprägnierten Kohlenstofffasertextil zugewandten Duroplastoberfläche eine intermolekular angebundene Thermoplastfolie (Anbindungs-Folie) von maximal 300 μm Dicke tragen.
Durch dieses Fügeverfahren wird ein Verschweißen der genannten Strukturen unter Einbindung des leitenden Kohlenstofffasertextils herbeigeführt.
Das Fügeverfahren eignet sich hervorragend für das Fügen auch größerer und flächiger Bauteile. Durch den Einsatz der Kombination aus gewebe- oder vlies-förmiger Struktur des Heizelements und Wechselstrom kann ein gleichmäßiges, flächenhaftes Aufheizen erreicht werden. Auch passt sich die Matte gut verschiedenen Geometrien der Berührungsflächen zwischen zu verbindenden Bauteilen an. Die Verbindung ist vollflächig und damit dem Nieten überlegen.
Durch das Widerstandsschweißen kann die Fügeenergie gezielt an der richtigen Position eingebracht werden. Mit Hilfe geeigneter Druck- und Temperaturwahl kann eine sehr feste Verbindung erhalten werden, die einer Klebeverbindung wenigstens gleichwertig, jedoch viel schneller herzustellen ist.
Imprägnierte, d. h. beidseitig beschichtete oder durchtränkte Kohlenstofffasergewebe(-textilien) sind kommerziell bereits erhältlich, man bezeichnet sie auch als Thermoplast-Prepreg. Vorteilhaft können beispielsweise CF/PEI Prepregs verwendet werden.
Kohlenstofffasern (Carbonfasern) sind elektrisch leitfähig, haben jedoch im Vergleich zu metallischen Leitern einen hohen Widerstand, d. h. sie heizen sich gut auf. Um eine gute Einleitung des elektrischen Stroms in die C-Fasern zu gewährleisten, wird die isolierende Thermoplast-Matrix im Bereich der Stromeinleitung wenigstens oberflächlich chemisch, thermisch oder mechanisch entfernt. Durch die zahlreichen Kontaktstellen und insbesondere, wie beobachtet wurde, bei Verwendung von Wechselstrom ist das Aufheizverhalten von Gewebe- oder Vliesprepregs sehr gleichmäßig. Das Schweißergebnis ist daher in der Fläche sehr gut und gleichmäßig. Obwohl unidirektionale C-Faserelemente gerade wegen eines angeblich gleichmäßigeren Widerstandswerts als besonders vorteilhaft für Schweißelektroden gelten, erweisen sich diese als ungünstig bei nicht-planaren Geometrien in der Verschweißungsebene.
Unter einem ”duroplastischen Kohlenstofffaserverbund-Bauteil oder Rohling” wird hier ein solcher verstanden,

– welcher wenigstens einen duroplastischen Anteil in einem nur durch eine Anbindungsfolie überlagerten oberflächennahen Bereich enthält, während daneben (beispielsweise bei einem Laminat innenliegend oder zur anderen Außenseite) andere Werkstoffe, insbesondere thermoplastischer Art, vorhanden sein können,
– welcher allein aus einem Duroplasten besteht (Rohling) oder
– welcher aus einem rein duroplastischen C-Faserkomposit oder Kohlenstofffasertextil-Duroplast-Laminat besteht.

Ein thermoplastisches, funktionalisiertes Bauteil oder ein entsprechender Rohling ist ein solcher, welcher wenigstens an einer Außenseite, ausschließlich oder überwiegend einen Thermoplast-Werkstoffbereich enthält.
Erfindungsgemäß tragen die duroplastischen Bauteile oder Rohlinge wenigstens auf ihrer dem imprägnierten Kohlenstofffasertextil zugewandten Duroplastoberfläche eine intermolekular angebundene Thermoplastfolie, hier auch Anbindungs-Folie genannt, von maximal 300 μm Dicke. Die angebundene bzw. eingebundene Thermoplastfolie bildet an dem Bauteil oder Rohling eine thermoplastische Funktionsschicht.
Die thermoplastischen Funktionsschichten nach der Erfindung werden vorzugsweise im normalen Aushärtungsprozess des Duromersystems erzeugt, indem polymerisierte Thermoplastfolien vor der Aushärtung des oberflächlichen Duroplasten auf die entsprechenden Bauteile auflaminiert werden. Derartige Verfahren sind als solche grundsätzlich bekannt.
Die thermoplastische Oberfläche bietet anschließend die Möglichkeit, das so hergestellte Bauteil mit gleichartigen Bauteilen oder reinen Thermoplastbauteilen zu verschweißen. Dabei kommt es im Sinne der Erfindung auch entscheidend darauf an, dass die Anbindungsfolie eine bestimmte Dicke nicht überschreitet – anders als bei den vorgenannten Druckschriften. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Widerstandsschweißen unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur die Verbindung zwischen dem imprägnierten Kohlenstofffasertextil, d. h. dem Heizelement, und dem Thermoplast der Anbindungsfolie verstärkt und festigt.
Durch das Fügeverfahren wird eine sehr feste Verbindung zwischen den ursprünglichen Bauteilen oder Rohlingen erzeugt und es wird eine Gesamtstruktur erhalten, die von einem komplexen Verbundbauteil oder Laminat, das mit klassischen Verfahren direkt so hergestellt wäre, praktisch nicht zu unterscheiden ist. Die Kontaktierungszonen, die zuvor abisoliert, d. h. von Thermoplastimprägnierung befreit wurden, ragen aus dem gefügten Bauteil heraus und werden anschließend entfernt.
In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Bauteils oder Rohlings aus einem Kohlenstofffaserverbundmaterial, welches Kohlenstofffaser-, Thermoplast- und Duroplastbereiche enthält. Dieser Aspekt der Erfindung beruht darauf, dass das erfindungsgemäße Fügeverfahren auch für die Herstellung von Laminaten und Verbundbauteilen verwendet werden kann. Die Rohlinge des Fügeverfahrens können reine Duroplast- und reine Thermoplast-Formteile oder Verbundwerkstoff-Rohlinge sein. Innerhalb eines gefügten oder mit dem Verfahren hergestellten Bauteils können mehrere Kohlenstofffasertextilien enthalten sein. Außerdem können mit dem Herstellungsverfahren mehrere Duroplastbereiche und auch mehrere Thermoplastbereiche in ein Bauteil oder einen Rohling eingebunden werden.
In besonders bevorzugter Ausführungsform werden die Bauteile oder Rohlinge während des Schweißens unter Druck verpresst, und zwar vorzugsweise mit einer Schweißleistung von 30 bis 100 kW/m² und weiter vorzugsweise mit einem Schweißdruck von 4 bis 10 bar. Die oben beschriebene sehr gute Fügequalität wird hierdurch in besonderem Maße gewährleistet.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das imprägnierte Kohlenstofffasertextil (Prepreg) unter erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur vorbehandelt. Dies vergleichmäßigt den Widerstand, indem zwischen den C-Fasern eine höhere Zahl sich über das Gewebe verteilender Kontaktstellen geschaffen wird. Zudem werden Inhomogenitäten im Prepreg vermieden und der Thermoplast wird noch inniger in das Gewebe hineingepresst. Gegebenenfalls können auch Lufteinschlüsse, die in dem unbehandelten Prepreg noch vorhanden sein könnten, entfernt.
Vorzugsweise sind die Duroplaste ausgewählt aus der Gruppe der Epoxidharze, Phenolharze oder Polyesterharze.
Der Thermoplast der Prepreg-Imprägnierung und der Thermoplast der mit dem Duroplasten verbundenen Anbindungsfolie können gleich oder verschieden sein. Soweit sie verschieden sind, müssen sie kompatibel sein, d. h. vorzugsweise in gewissem Grad miteinander mischbar. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Thermoplasten ausgewählt sind aus der Gruppe der Polyetherimide (PEI), Polysulfone (PSU), insbesondere Polyethersulfone (PES), Polyetheretherketone (PEEK), und Polyaryletherketone (PAEK).
Der mit der Anbindungsfolie versehene Duroplast kann vorzugsweise als Schichtmaterial oder Formkörper vorliegen.
Wie oben schon grundsätzlich beschrieben, wird die intermolekulare Verbindung zwischen Duroplast und thermoplastischer Anbindungs-Folie dadurch hergestellt, dass eine polymerisierte Thermoplastfolie auf die Oberfläche des Duroplasten vor oder während seiner Aushärtung aufgebracht wird. Dies geschieht insbesondere durch Einlegen in ein Duroplast-Formguss-Werkzeug vor Einbringen eines Duroplast-Rohmaterials oder durch Auflegen auf eine aushärtende Duroplast-Schicht oder einen aushärtenden Duroplast-Formkörper.
Die Foliendicke der Anbindungsfolie soll 300 μm nicht überschreiten. Gut verwendbar sind Folien mit Dicken von 100 bis 250 μm. Es können auch Folien ab ca. 50 μm eingesetzt werden, wie sie sämtlich im Handel erhältlich sind.
Die Erfindung umfasst weiterhin einen neuen Faserverbundwerkstoff, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird und wenigstens ein Kohlenstofffasertextil mit Gewebe- oder Vliesstruktur enthält, die wenigstens einseitig mit einem Thermoplasten verbunden ist, der das Textil in einem oberflächlichen Bereich oder vollständig durchdringt, sowie weiter wenigstens einen duroplastischen Bereich enthält, der mit dem an die Kohlenstofffasermatte angrenzenden Thermoplasten oder einem damit verschmolzenen Thermoplasten intermolekular verzahnt verbunden ist, wobei der mit Thermoplast gefüllte Bereich zwischen Kohlenstofffasertextil und angebundenem Duroplastbereich in dem konsolidierten, unter Druck gefügten Faserverbundwerkstoff eine Dicke von 400 μm nicht überschreitet.
Die Erfindung umfasst auch Bauteile verschiedener Art aus diesem neuen Faserverbundwerkstoff, insbesondere für die Fahrzeug- und Flugzeugindustrie.
Das Bauteil kann zusätzliche Schichten oder Bereiche enthalten, insbesondere aus gleichen oder weiteren Thermoplasten. Es kann vorzugsweise nachbehandelt sein, insbesondere geschnitten, geschliffen, gesägt und/oder oberflächenbehandelt.
Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Form eines Fahrzeug- oder Flugzeugbauteils ausgebildet.
Im Folgenden wird die Erfindung allein zu illustrierenden Zwecken anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: den Aufbau einer Widerstandsschweißanlage zu Testzwecken für Probestücke (als Prinzipskizze);
2: den Aufbau eines Probestücks im Querschnitt (schematisch);
3: eine schematische Darstellung eines Verbundbauteils in perspektivischer Ansicht;
4: ein Säulendiagramm mit Zugscherfestigkeitswerten;
5: ein Säulendiagramm mit Risszähigkeitswerten;
6: ein A-Profil-Anwendungsbeispiel.
In ist der Aufbau einer Versuchsschweißanlage mit eingelegter Schweißprobe zu sehen.
Die Kohlenstoff-Schweißelektrode (Prepreg) wird zwischen zwei thermoplastbeschichteten Duromerplatten eingelegt. Über ein Presswerkzeug 6 wird der Aufbau mit einem Anpressdruck versehen. Die Kontakte 4 zum Einleiten des Stroms werden an der seitlich herausragenden, vom Thermoplast befreiten Kohlenstoff-Elektrode befestigt. Anschließend wird der Strom zum Aufheizen der Kohlenstoff-Elektrode eingeleitet. Die Regelung des Schweißvorgangs erfolgt über die Temperatur. Die Schweißzeit für die Probestücke beträgt 1 bis 3 Minuten. Nach dem Abkühlen kann die Probe entnommen werden. Es wurden Proben unterschiedlicher Größe erfolgreich miteinander verschweißt.
Anschließend wurde die Qualität der Schweißung mechanisch geprüft (Rissenergie, GIC) und die Kennwerte mit denen von Referenzproben aus ungeschweißtem Material verglichen. Es zeigte sich, dass durch den Schweißprozess keine Verschlechterung der mechanischen Kennwerte auftritt. Die Schweißqualität weist über die gesamte Bauteillänge, die in den Probestücken bis 35 cm betrug, nur geringe Schwankungen auf.

Das Verfahren wurde mit folgenden Kenndaten erprobt:

Dicke der PEI(Polyetherimid)-Folie:	100–300 μm
Alternatives Material der Anbindungsfolie:	PES(Polyethersulfon) – mit sonst gleichen Parametern
Art des elektrischen Stroms:	Wechselstrom Transformator mit 2 Stufen (I) 500 W, (48 V, ca. 10 A) (II) 2000 W, (80 V, ca. 25 A)
Schweißleistung:	50–70 kW/m²
Schweißdruck:	5 bis 8 Bar (je nach Dicke der Folie)
Größe des Fügebereichs:	bis 0,04 m²

Die Probestücke besaßen den in 2 dargestellten Aufbau. Ein mit PEI imprägniertes CF-Prepreg 21 (TenCate^®, Gewebe-Prepreg mit PEI, ”CETEX 3k PW, Gr CD0200”) wird, wie oben beschrieben, zwischen zwei mit einer thermoplastisch beschichteten, nämlich mit einer PEI-Anbindungs-Folie 22 versehenen Duroplasten 23, hier Epoxidharz (Fa. Hexcel, Epoxid 6376) eingelegt. Zwischen den Schichten 22 und 23 befindet sich eine intermolekular verzahnte Zwischenschicht 24.
3 zeigt das fertige Probestück in anderer Darstellung. Zwei duroplastische CFK-Bauteile 31 mit thermoplastischer Beschichtung umfassen ein Heizelement 32 aus einem mit einem Thermoplasten 35 (PEI) imprägniertes CF-Gewebe 34. Die intermolekular verzahnte Struktur der Zwischenschicht 24 ist hier durch die Duroplastketten 36 und die Thermoplastketten 37 dargestellt.
Prüfergebnisse der Schweißproben
1. Zugscherfestigkeitswerte
Die Zugscherfestigkeitswerte sind in 4 dargestellt. Hier werden die Prüfwerte der Schweißproben mit den Referenzwerten verglichen. Als Referenzen wurden die Proben ohne Verschweißung und die Prüfwerte der Schweißproben aus der Arbeit von Ye und Ageorges in ”Composites”, Part A 32 (2001), 1603–1612, verwendet.
Es wurden vermessen:
REF I – Schweißprobe (Widerstandsschweißen) mit Gleichstromenergiequelle, ca. 4 Minuten Schweißzeit, Probenaufbau wie bei Ageorges, a. a. O. durch mechanische Verzahnung mit GF-Zwischenschicht
REF I(1) – bei Schweißleistung = 37 kW/m² (5,5 A)
REF I(2) – bei Schweißleistung = 46 kW/m² (5,5 A)
REF I(3) – bei Schweißleistung = 54 kW/m² (5,5 A)
PUK REF – Referenzprobe ohne Widerstandsschweißen EF(Duroplast)-PEI(Thermoplast)-CF(Duroplast)-Laminat
PUK – erfindungsgemäßes Beispiel
Schweißprobe (Widerstandsschweißen) mit Wechselstromenergiequelle, ca. 4 Minuten Schweißzeit, Probenaufbau – erfindungsgemäß: chemische Interdiffusion ohne GF-Zwischenschicht
PUK 125 – mit PEI Folie 125 μm, Schweißleistung = 66 kW/m² (10 A)
PUK 200 – mit PEI Folie 200 μm, Schweißleistung = 66 kW/m² (10 A)
Die Bruchstelle während der Prüfung liefert die Information bezüglich der Schwachstelle im Prüfkörper. Bei den nach der Vorschrift von Ageorges hergestellten Schweißproben lag die Schwachstelle an der Kopplung zwischen Duroplast-Glasfasern-Thermoplast. Bei den durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Schweißproben befand sich die Bruchstelle im duroplastischen Laminat.
2. Risszähigkeitswerte (GIC-Werte)
Anders als bei der Zugscherfestigkeitsprüfung wird bei der Risszähigkeitsprüfung der Bruch gezielt in der Fügenaht angebracht. Die Risszähigkeitsprüfung liefert somit die Aussage über die Festigkeit der Fügenaht. Als Referenzen dienten reine duroplastische CFK-Proben und Proben mit thermoplastischer Mittelschicht ohne Verschweißung. Die Werte der erfindungsgemäßen Proben zeigen statistisch relevant bessere Ergebnisse.
6 zeigt ein Anwendungsbeispiel nämlich ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügtes A-Profil. Die obere Hälfte des Profils 61 und die untere Hälfte des Profils 62, die je aus einem thermoplastbeschichteten Duroplast-Komposit bestehen, wurden mit dem CF-Gewebeprepreg 63 zusammengeschweißt.

Claims

Verfahren zum Fügen von duroplastischen Kohlenstofffaserverbundbauteilen oder -rohlingen untereinander oder von duroplastischen mit thermoplastischen Bauteilen oder Rohlingen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bauteile oder Rohlinge durch Widerstandsschweißen verbunden werden, dass für das Widerstandsschweißen Kohlenstofffasertextilien mit Gewebestruktur oder Vliesstruktur als Heizelemente verwendet werden, wobei diese mit Wechselstrom beaufschlagt werden, dass die Kohlenstofffasertextilien auf ihren Oberflächen mit einem Thermoplasten imprägniert sind oder mit diesem durchgehend getränkt sind, dass mit Hilfe jeweils einer imprägnierten Kohlenstofffasertextilie zwei duroplastische Bauteile oder Rohlinge oder ein duroplastischer mit einem thermoplastischen Bauteil oder Rohling verbunden werden, wobei die duroplastischen Bauteile oder Rohlinge wenigstens auf ihrer der imprägnierten Kohlenstofffasertextilie zugewandten Duroplastoberfläche eine intermolekular angebundene Thermoplastfolie (Anbindungs-Folie) von maximal 300 μm Dicke tragen und dass ein Verschweißen der genannten Strukturen unter Einbindung der leitenden Kohlenstofffasertextilie erfolgt, wobei die intermolekulare Verbindung zwischen Duroplast und thermoplastischer Anbindungs-Folie dadurch hergestellt wird, dass eine polymerisierte Thermoplastfolie auf die Oberfläche des Duroplasten vor oder während seiner Aushärtung aufgebracht wird, insbesondere durch Einlegen in ein Duroplast-Formguss-Werkzeug vor Einbringen eines Duroplast-Rohmaterials oder durch Auflegen auf eine aushärtende Duroplast-Schicht oder einen aushärtenden Duroplast-Formkörper.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils oder Rohlings aus einem Kohlenstofffaserverbundmaterial, welches Kohlenstofffaser-, Thermoplast- und Duroplastbereiche enthält, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Kohlenstofffaserverbund-Rohlinge oder Kunststoffrohlinge durch Widerstandsschweißen verbunden werden, dass für das Widerstandsschweißen Kohlenstofffasertextilien mit Gewebestruktur oder Vliesstruktur als Heizelemente verwendet werden, wobei diese mit Wechselstrom beaufschlagt werden, dass die Kohlenstofffasertextilien auf ihren Oberflächen mit einem Thermoplasten imprägniert sind oder mit diesem durchgehend getränkt sind, dass mit Hilfe jeweils einer imprägnierten Kohlenstofffasertextilie zwei duroplastische Rohlinge oder ein duroplastischer mit einem thermoplastischen Rohling verbunden werden, wobei die duroplastischen Rohlinge wenigstens auf ihrer der imprägnierten Kohlenstofffasertextilie zugewandten Duroplastoberfläche eine intermolekular angebundene Thermoplastfolie (Anbindungs-Folie) von maximal 300 μm Dicke tragen und dass ein Verschweißen der genannten Strukturen unter Einbindung der leitenden Kohlenstofffasertextilie erfolgt, wobei die intermolekulare Verbindung zwischen Duroplast und thermoplastischer Anbindungs-Folie dadurch hergestellt wird, dass eine polymerisierte Thermoplastfolie auf die Oberfläche des Duroplasten vor oder während seiner Aushärtung aufgebracht wird, insbesondere durch Einlegen in ein Duroplast-Formguss-Werkzeug vor Einbringen eines Duroplast-Rohmaterials oder durch Auflegen auf eine aushärtende Duroplast-Schicht oder einen aushärtenden Duroplast-Formkörper.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kohlenstofffasertextilien und/oder mehrere Duroplastbereiche in ein Bauteil oder einen Rohling eingebunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile oder Rohlinge während des Schweißens unter Druck verpresst werden, vorzugsweise mit einer Schweißleistung von 30 bis 100 kW/m² und weiter vorzugsweise mit einem Schweißdruck von 4 bis 10 bar.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die imprägnierte Kohlenstofffasertextilie (Prepreg) unter erhöhtem Druck und/oder erhöhter Temperatur vorbehandelt wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Duroplaste ausgewählt sind aus der Gruppe Epoxidharze, Phenolharze oder Polyesterharze.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoplast der Prepreg-Imprägnierung und der Thermoplast der mit dem Duroplasten verbundenen Anbindungsfolie gleich oder verschieden sind und ausgewählt sind aus der Gruppe der Polyetherimide (PEI), Polysulfone (PSU), insbesondere Polyethersulfone (PES), Polyetheretherketone (PEEK), Polyaryletherketone (PAEK).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Duroplast als Schichtmaterial oder Formkörper vorliegt.
Faserverbundwerkstoff, erhalten mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenigstens eine Kohlenstofffasertextilie mit Gewebe- oder Vliesstruktur enthaltend, die wenigstens einseitig mit einem Thermoplasten verbunden ist, der die Textilie in einem oberflächlichen Bereich oder vollständig durchdringt, sowie weiter wenigstens einen duroplastischen Bereich enthaltend, der mit dem an die Kohlenstofffasertextilie angrenzenden Thermoplasten oder einem damit verschmolzenen Thermoplasten intermolekular verzahnt verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Thermoplast gefüllte Bereich zwischen Kohlenstofffasertextilie und angebundenem Duroplastbereich in dem konsolidierten, unter Druck gefügten Faserverbundwerkstoff eine Dicke von 400 μm nicht überschreitet.
Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 9.
Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzliche Schichten oder Bereiche enthält, insbesondere aus gleichen oder weiteren Thermoplasten.
Bauteil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es nachbehandelt ist, insbesondere geschnitten, geschliffen, gesägt und/oder oberflächenbehandelt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12 in Form eines Fahrzeug- oder Flugzeugbauteils.