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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung eines Faserverbundwerkstoffs mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und ein entsprechendes Reparaturverfahren nach Anspruch 12.
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Faserverbundbauteile finden aufgrund ihrer Eigenschaften vermehrt Einsatz in diversen Bereichen. Insbesondere im Schiffsbau, Fahrzeugbau und in der Luft- und Raumfahrttechnik wird von den guten strukturellen Eigenschaften bei vergleichsweise geringem Gewicht profitiert.
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Eine große Herausforderung besteht im Entwickeln von Füge- und Reparaturverfahren für Faserverbundbauteile, die einerseits mit einer möglichst geringen Gewichtszunahme verbunden sind, andererseits jedoch trotzdem in der Lage sind, eine möglichst hohe strukturelle Integrität bereitzustellen. Erfahrungsgemäß nimmt die strukturelle Integrität von reparierten Faserverbundbauteilen ab, was insbesondere bei besonders gewichtsminimierten und/oder hochbelasteten Bauteilen nachteilig ist.
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Zur Verbesserung der Qualität von Klebungen werden die Fügeflächen von Faserverbundmaterial in der Regel vorbehandelt. Dabei wird die Fügefläche von Verunreinigungen gereinigt, wobei insbesondere Matrixreste auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffes entfernt werden. In der Patentschrift
DE 103 52 964 B3 wird dazu ein Verfahren vorgestellt, in dem durch die Einwirkung von Mikrowellenstrahlung Matrixharze aus einem definierten Bereich entfernt werden, ohne dabei die in der Matrix eingebetteten Fasern zu zerstören. In der Druckschrift
DE 39 03 153 A1 wird ein Verfahren mit gleichem Ziel beschrieben, wobei anstatt der Mikrowellenstrahlung ein gepulster Laser verwendet wird. Beiden Verfahren ist somit der Zweck gemein, die Fügeflächen von Matrixresten zu reinigen, ohne dabei die Fasern zu beeinflussen, insbesondere sie zu schädigen.
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Trotz der bekannten Verfahren zur Vorbehandlung von Klebeverbindungen von Faserverbundwerkstoffen, besteht weiterhin ein Bedarf, die Qualität der Vorbehandlung und damit der Klebung durch verbesserte Verfahren zu erhöhen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vorbehandlung eines Faserverbundwerkstoffs auf ein Kleben und ein entsprechendes Reparaturverfahren für ein Faserverbundbauteil bereitzustellen, welches in einer besonders hohen Festigkeit der Klebung resultiert.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur Vorbehandlung eines Faserverbundwerkstoffs auf ein Kleben vorgeschlagen, wobei der Faserverbundwerkstoff eine Matrix und in der Matrix eingebettete Fasern aufweisen und die Matrix auf der Oberfläche des zu klebenden Faserverbundwerkstoffs teilweise oder vollständig durch einen Laser entfernt wird und wobei die Oberfläche der Fasern zumindest zum Teil durch den Laser funktionalisiert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es neben dem bekannten Entfernen von Matrixresten auf Faserverbundoberflächen zur Klebevorbereitung, die Fasern zusätzlich zu funktionalisieren. Funktionalisiert werden die Fasern insbesondere dadurch, dass durch den Laser auf der Oberfläche funktionale Gruppen gebildet werden. Durch diese funktionalen Gruppen kann eine Anbindung des in der Regel epoxidbasierten Klebstoffs an die Fasern besonders gut erfolgen, da die Epoxidgruppen des Klebstoffs sich auf atomarer Ebene besonders stark mit den Fasern verbinden können, insbesondere bilden sich besonders viele kovalente Bindungen zwischen den Atomen der Fasern und denen des Klebstoffs und die Festigkeit der Anbindung wird so erhöht.
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Vorzugsweise werden die Fasern durch den Laser zumindest teilweise oxidiert und/oder nitriert. Oxidierte und nitrierte Bereiche auf der Faseroberfläche sind gute Anbindungspunkte für die Epoxidgruppe des Klebstoffs. Dementsprechend wird durch den oxidierten bzw. nitrierten Bereich die Anbindung des Klebstoffs an die Fasern verbessert.
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Vorzugsweise wird der Laser unter Normalatmosphäre betrieben und erzeugt auf der Oberfläche der Fasern eine Temperatur von mehr als 400°C. Der Einsatz des Lasers unter Normalatmosphäre, also bei einem Druck von 1 bar, hat den Vorteil, dass auf aufwendige Geräte, wie beispielsweise Vakuumkammern bzw. Öfen oder Autoklaven verzichtet werden kann. Des Weiteren hat die Aktivierung in atmosphärischer Umgebung den Vorteil, dass der zur Funktionalisierung benötigte Sauer- und/oder Stickstoff bereits vorliegt. Da insbesondere im Flugzeugbau die Tendenz besteht, immer größere zusammenhängende Faserverbundstrukturen zu verbauen, ist es außerdem vorteilhaft, wenn die Bauteile zum Fügen bzw. Reparieren keine großen Vakuumkammern oder beispielsweise einen Autoklaven benötigen. Vorzugweise wird auf der Faseroberfläche eine Temperatur von mindestens 400°C erzeugt. Durch eine derartig gesteuerte Temperaturkontrolle können viele funktionale Gruppen auf der Fügefläche erzeugt werden.
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Zur Verbesserung der Ergebnisse ist eine Reihe von Parametern vorteilhaft, die im Folgenden beschrieben werden:
Vorzugsweise wird der Laser zum Funktionalisieren mit einer Pulsfrequenz betrieben, die höher als 10 kHz, weiter bevorzugt höher als 20 kHz ist. Des Weiteren ist eine Pulsfrequenz bevorzugt, die tiefer als 150 kHz, weiter bevorzugt tiefer als 120 kHz liegt. Insgesamt wird der Laser zum Funktionalisieren vorzugsweise mit einer Pulsfrequenz in einem Bereich von 10 bis 150 kHz, bevorzugt in einem Bereich zwischen 20 bis 120 kHz betrieben. Vorzugsweise ist der Laser als gepulster Nd-YAG Laser ausgeführt. Des Weiteren können auch andere Laser, beispielsweise gepulste Diodenlaser für das Funktionalisieren geeignet sein, wenn sie derart konfiguriert sind, dass der erfindungsgemäße Effekt erzielt wird.
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Vorzugsweise wird der Laser zum Funktionalisieren mit einer Wellenlänge von 1064 nm betrieben.
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Vorzugsweise wird der Laser zum Funktionalisieren mit einer Intensität betrieben, die höher als 3 W/cm2, weiter bevorzugt höher als 6 W/cm2 ist. Des Weiteren ist eine Intensität bevorzugt, die weniger als 120 W/cm2, weiter bevorzugt weniger als 60 W/cm2 beträgt. Insgesamt wird der Laser zum Funktionalisieren vorzugsweise mit einer Intensität in einem Bereich von 3 bis 120 W/cm2, bevorzugt in einem Bereich zwischen 6 bis 60 W/cm2 betrieben. Daraus ergeben sich bevorzugte Flächenraten, die in einem Bereich zwischen 0,3 bis 10 cm2/s, weiter bevorzugt zwischen 2 bis 6 cm2/s liegen.
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Vorzugsweise wird der Laser zum Funktionalisieren mit einer Leistung betrieben, die höher als 20 W, weiter bevorzugt größer als 40 W ist. Des Weiteren ist eine Leistung bevorzugt, die niedriger als 500 W, weiter bevorzugt niedriger als 100 W liegt. Insgesamt wird der Laser zum Funktionalisieren vorzugsweise mit einer Leistung in einem Bereich von 20 bis 500 W, bevorzugt in einem Bereich zwischen 40 bis 100 W betrieben.
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Vorzugsweise weist der Laser zum Funktionalisieren einen Arbeitsabstand in einem Bereich von 5 bis 50 cm auf.
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Vorzugsweise ist der Faserverbundwerkstoff als kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff CFK ausgeführt. CFK ist für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet, da die Kohlenstofffasern sich durch den Laser gut funktionalisieren lassen.
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Vorzugsweise weist die Reparaturstelle eine geschäftete Geometrie mit einem Schäfteverhältnis in einem Bereich von 1:10 bis 1:60 auf. Zum erfindungsgemäßen Reparaturkleben eines Faserverbundwerkstoffs eignen sich derart geschäftete Geometrien bzw. eine Fügefläche mit geschäfteter Oberfläche gut, da sie mit einer gleichmäßigen Spannungsverteilung im Bauteil einhergehen und so die Belastungsmöglichkeiten der Klebung verbessert werden. Ein bevorzugtes Schäfteverhältnis S größer als 1:20 bzw. ein bevorzugtes Schäfteverhältnis S kleiner als 1:50, weiter bevorzugt S kleiner 1:30, entspricht dabei einem Schäftungswinkel α von ca. 2,86° für 1:20, 1,9° für 1:50 bzw. 1,91° für ein Schäfteverhältnis von 1:30 (tanα = S).
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe ein Reparaturverfahren zur Reparatur eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, welches eine Matrix und in der Matrix angeordnete Fasern aufweist, wobei in einem ersten Schritt an einer Reparaturstelle ein Heraustrennen eines beschädigten Bereichs aus dem Faserverbundbauteil erfolgt, und in einem zweiten Schritt ein an die Geometrie der Reparaturstelle angepasstes Faserverbundersatzstück eingesetzt wird, wobei an der Fügefläche des Faserverbundbauteils und des Faserverbundersatzstückes zum Fügen der Bauteile Klebstoff vorgesehen ist, und die Matrix auf der Oberfläche des zu klebenden Faserverbundwerkstoffs teilweise oder vollständig durch einen Laser entfernt wird und wobei die Oberfläche der Fasern zumindest zum Teil durch den Laser funktionalisiert wird.
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Vorzugsweise erfolgt dabei in einem Zwischenschritt, der zeitlich zwischen dem ersten und zweiten Schritt angeordnet ist, ein Schäften der Reparaturstelle.
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Durch die Funktionalisierung der Fasern kann die Klebefestigkeit erheblich gesteigert werden, da sich der Klebstoff besonders gut mit den Fasern verbindet und das reparierte Faserverbundbauteil so nahezu die Festigkeit der Originalstruktur aufweist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert. In den Figuren ist im Einzelnen zu erkennen:
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1: Darstellung des Fügens von Faserverbundbauteilen
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2: Schematische Darstellung einer geschäfteten Fügefläche
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2a: Schematische Darstellung der Faser-Matrix-Grenzschicht mit einigen üblichen Phänomenen
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3: Reparatur eines Faserverbundbauteils
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4: Reparatur eines Faserverbundbauteils mit schrägen Fügeflächen
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5: Reparatur eines Faserverbundbauteils mit geschäfteten Fügeflächen
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6: Erster Schritt einer doppelseitigen Reparatur eines Sandwichbauteils
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7: Zweiter Schritt einer doppelseitigen Reparatur eines Sandwichbauteils
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In der 1 sind schematisch zwei Faserverbundbauteile 1 dargestellt, die jeweils eine Matrix 2 und in der Matrix 2 eingebettete Fasern 3 aufweisen. Die Faserverbundbauteile 1 weisen in Vorbereitung auf ein Verkleben aneinander angepasste schräge Fügeflächen 7 auf, auf denen zum Teil Matrixreste 5 vorhanden sind. In Vorbereitung auf das Fügen der zwei Faserverbundbauteile werden die Fügeflächen 7 durch einen Laser 4 vorbehandelt.
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In der 2 ist eine schematische Ansicht einer geschäfteten Oberfläche 6 eines Faserverbundbauteils 1 dargestellt. Das Faserverbundbauteil 1 kann beispielsweise Teil einer CFK Flugzeugstruktur sein, welche aufgrund einer Beschädigung repariert werden muss. Zur Reparatur wird der beschädigte Bereich aus dem Faserverbundbauteil 1 herausgetrennt und die dadurch entstandene Ausnehmung in Vorbereitung auf das Einsetzen eines Faserverbundersatzstückes geschäftet. Zur Schäftung werden die Ränder der Ausnehmungen, die Teil der Fügefläche 7 sind, treppenartig ausgebildet. Die Steigung dieser „Treppe” ist dabei der Schäftungswinkel α, der vorzugsweise kleiner als 2,86° und weiter bevorzugt größer als 1,9° ist. In Vorbereitung auf die Reparatur wird die Fügefläche 7 durch den Laser 4 vorbehandelt.
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Die Vorbehandlung des Lasers 4 umfasst erfindungsgemäß nicht nur ein Entfernen von Matrixresten 5, sondern zusätzlich ein Funktionalisieren der Fasern 3. Der Laser 4 rastert die Fügefläche 7 ab und sublimiert dabei vorhandene Matrixreste 5 auf den Fügeflächen 7. Durch ein Entfernen der Matrixreste 5 kann die Qualität des Fügeprozesses erhöht werden, da der verwendete Klebstoff die Fasern 3 auf der gesamten Fügefläche 7 benetzen kann.
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Zusätzlich wird erfindungsgemäß die Oberfläche der Fasern 3 durch den Laser 4 zumindest zum Teil funktionalisiert. Die vom Laser 4 in die Fasern 3 eingekoppelte Energie führt zu einer Veränderung der Oberfläche der Faser 3. Es werden bestehende atomare Bindungen in der Faseroberfläche aufgebrochen, woraufhin sich die Atome neue Bindungspartner suchen und dabei zum Teil funktionale Gruppen 26 ausbilden. Beispielsweise werden bei CFK-Bauteilen die Kohlenstoff/Kohlenstoff-Bindungen aufgebrochen, woraufhin sich die Kohlenstoffatome beispielsweise mit Sauerstoffatomen verbinden und so oxidiert werden. Eine solche Oxidation ist eine der bevorzugten Arten der Funktionalisierung von Fasern. Eine andere bevorzugte Variante der Funktionalisierung ist das Nitrieren, bei dem beispielsweise neue Kohlenstoff/Stickstoff-Bindungen entstehen. Mit diesen funktionalen Gruppen 26 kann sich der eingesetzte Klebstoff gut verbinden, insbesondere die Epoxidgruppen von epoxidbasiertem Klebstoff bilden mit derart oxidierten bzw. nitrierten Kohlenstofffasern zahlreiche kovalente Bindungen aus, welches die Festigkeit der Klebeverbindung verbessert und ermöglicht mit der Reparatur nahezu die Festigkeit des unbeschädigten Neuteils wiederherzustellen.
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Die Matrix 2 des Faserverbundbauteils 1 ist vorzugsweise ein epoxidbasiertes Harz und ähnelt dementsprechend chemisch dem bevorzugten Klebstoff. Die Artgleichheit der Matrix 2 und des Klebstoffs führt zu einer hohen Stabilität der gefügten bzw. reparierten Faserverbundbauteile 1, insbesondere dadurch, dass der Spannungsverlauf im gefügten Bauteil durch Verwendung artgleicher bzw. artähnlicher Materialien homogener ist.
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In der 2a ist eine schematische Darstellung der Faser-Matrix-Grenzschicht 21 abgebildet. Die Faser 3 wird von der Matrix 2 umgeben, wobei der Übergang von der Faser 3 zur Matrix 2 als Faser-Matrix-Grenzschicht 21 ausgebildet ist. In der Grenzschicht 21 treten eine Reihe von Phänomenen auf. Einerseits können beispielsweise Verschmutzungen 22 vorliegen, andererseits können auch Lufteinschlüsse 23 in der Grenzschicht 21 vorhanden sein. Innerhalb der Faser 3 können auch Faserhohlräume 25 auftreten. Auf der Faseroberfläche können auch Reste der Faserschlichte 24 vorhanden sein, die beispielsweise aus einem Harz besteht und zum Oberflächenschutz auf die Fasern 3 aufgebracht wird. Die in der Fertigung der Faser 3 aufgebrachten Überzüge dienen dazu, die Fasern 3 vor Abrasion zu schützen und die Filamente zu einem Bündel zu fixieren. Die Haftvermittlung wird durch die am Ende der Fertigungslinie durchgeführte Oxidation der Faser 3 erreicht. Dadurch entstehen Carboxyl- bzw. Cabonylgruppen, welche mit der Matrix reagieren und die Haftung verbessern.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden insbesondere auf der dem Laser 4 zugeordneten Seite der Faser 3, welche auch die Seite der Faser 3 ist, die anschließend vom Klebstoff benetzt wird, eine Vielzahl von funktionalen Gruppen 26 gebildet, wodurch sich der Klebstoff auf atomarer Ebene gut mit der Faser verbindet.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist weiterhin darin zu sehen, dass die tiefer liegenden Matrixschichten unter der funktionalisierten bzw. zu funktionalisirenden Fläche durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht geschädigt werden. Dabei sind die weiter oben beschriebenen Laserparameter vorteilhaft, um den Einfluss, insbesondere den Temperatureinfluss, auf die tiefer liegenden Matrixschichten möglichst gering zu halten. Die erfindungsgemäße Wahl von einzelnen oder einer Kombination der Laserparameter führt demnach zu einer verbesserten strukturellen Integrität der Bauteile, da der Laser die Festigkeit der Bauteile nicht negativ beeinflusst.
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Demnach ermöglicht die erfindungsgemäße Reparatur nicht nur die Erhöhung der Klebefestigkeit, sondern durch bauteilschonenende Behandlung auch mögliche negative Auswirkungen einer Laserbehandlung zu minimieren oder sogar vollständig zu vermeiden.
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Die 3, 4 und 5 zeigen Beispiele für Reparaturverfahren von Faserverbundbauteilen 1, die mit erfindungsgemäß vorbehandelten Fasern durchgeführt werden können. In der 3 ist schematisch die Reparatur eines Faserverbundbauteils 1 dargestellt, bei dem ein Reparaturersatzstück, welches mehrere Fülllagen 11 und eine Stützlage 12 aus Faserverbundmaterial umfasst, in eine dafür vorgesehene Ausnehmung eingesetzt wird, und über einen Klebefilm 10 mit mehreren Reparaturlagen 8 und einer Zusatzlage 9 verklebt wird.
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Das in der 4 dargestellte Reparaturverfahren für ein Faserverbundbauteil 1 sieht vor, dass die Fügeflächen 7 schräg ausgebildet werden und insgesamt mit weniger Lagen aus Faserverbundmaterial gearbeitet werden kann, was naturgemäß mit einer Gewichtsersparnis verbunden ist. Das Reparaturersatzstück umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Fülllage 11 und wird mit mehreren Reparaturlagen 8 sowie einer darüber angeordneten Zusatzlage und einer unter der Fülllage 11 angeordneten Stützlage über einen Klebefilm 10 verklebt. In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen sind mehrere Klebefilme 10 zwischen verschiedenen Faserverbundlagen angeordnet.
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In der 5 ist ein weiteres Reparaturverfahren dargestellt, bei dem eine erfindungsgemäße Vorbehandlung von Fasern durchgeführt wurde. Das Verfahren ist im Wesentlichen mit dem in 4 dargestellten Verfahren identisch. Der Unterschied besteht darin, dass eine erfindungsgemäß vorbehandelte geschäftete Oberfläche 6 zur Reparatur vorgesehen ist. Eine solche Reparatur mit geschäfteter Oberfläche 6 führt zu einer hohen Stabilität bei vergleichsweise geringer Gewichtszunahme des Faserverbundbauteils 1. Die Faserfunktionalisierung kann sowohl bei einer gestuften als auch bei einer schrägen Schäftung erfolgen.
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In der 6 ist der erste Schritt einer doppelseitigen Reparatur dargestellt. Ein Sandwichbauteil 19, welches einen Kern aus Wabenstruktur sowie darüber und darunter angeordnete Lagen aus Faserverbundmaterial umfasst, ist beschädigt worden und muss repariert werden. Dazu wurde der beschädigte Bereich herausgetrennt und ein Wabenstrukturersatzstück 18 eingesetzt und mit der umgebenden Wabenstruktur 16 über eine Klebefuge 17 verklebt. In der Klebefuge 17 ist zur Verbindung der einzelnen Wabenstücke sog. „Splice” angeordnet. Oberhalb des Wabenstrukturersatzstücks 18 wird anschließend ein Faserverbundersatzstück, welches eine Fülllage 11 umfasst, sowie mehrere Reparaturlagen 8 und eine Zusatzlage 9 aus Faserverbundmaterial angeordnet, die mit dem Faserverbundmaterial des Sandwichbauteils 19 über einen Klebefilm 10 verklebt werden. Auf der Unterseite des Wabenstrukturersatzstückes 18 wird ein Füllstück 14 und ein Formelement 15 angeordnet, welche an die Geometrie der Unterseite angepasst sind und dem Sandwichbauteil 19 für die Reparatur die notwendige Stabilität verleihen. Damit das Füllstück und das Formelement 15 nicht ungewollt mit dem Sandwichbauteil 19 verkleben, ist zwischen ihnen und dem Sandwichbauteil 19 ein Trennelement 13 angeordnet, welches hier als Folie ausgeführt ist und erlaubt, dass das Füllstück 14 und das Formelement 15 problemlos von dem Sandwichbauteil 19 gelöst werden können.
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In der 7 ist der zweite Schritt der doppelseitigen Reparatur dargestellt. Wiederum werden mehrere Reparaturlagen 8, eine Fülllage 11, sowie eine Zusatzlage 9 über einen Klebefilm 10 mit dem Sandwichbauteil 19 verklebt.
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Mehrere der im ersten oder zweiten Schritt verwendeten Faserverbundlagen und/oder das Faserverbundmaterial des Sandwichbauteils 19 selbst sind vor dem Kleben durch das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren vorbehandelt worden, wodurch die Festigkeit des reparierten Sandwichbauteils 19 nahezu vollständig wiederhergestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserverbundbauteil
- 2
- Matrix
- 3
- Fasern
- 4
- Laser
- 5
- Verunreinigungen
- 6
- geschäftete Oberfläche
- 7
- Fügefläche
- 8
- Reparaturlage
- 9
- Zusatzlage
- 10
- Klebefilm
- 11
- Fülllage
- 12
- Stützlage
- 13
- Trennelement
- 14
- Füllstück
- 15
- Formelement
- 16
- Wabenstruktur
- 17
- Klebefuge
- 18
- Wabenstrukturersatzstück
- 19
- Sandwichbauteil
- 21
- Grenzschicht
- 22
- Verschmutzungen
- 23
- Lufteinschluss
- 24
- Faserschlichte
- 25
- Faserhohlraum
- 26
- Funktionale Gruppe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10352964 B3 [0004]
- DE 3903153 A1 [0004]
