DE102011076463A1

DE102011076463A1 - Reparaturverfahren für ein Formteil aus einem Kunststoffmaterial

Info

Publication number: DE102011076463A1
Application number: DE201110076463
Authority: DE
Inventors: Markus Kaden
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: DE102011076463B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für ein Formteil aus einem Kunststoffmaterial, bei dem ein Reparaturelement aus dem Kunststoffmaterial auf einen beschädigten Bereich des Formteils aufgebracht und durch Einwirkung von Wärme mit diesem stoffschlüssig verbunden wird, wobei die Wärme mittels eines passiven Heizelements aus einem elektrisch leitenden Material erzeugt wird, indem das Heizelement mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für ein Formteil aus einem Kunststoffmaterial, bei dem ein Reparaturelement aus dem Kunststoffmaterial auf einen beschädigten Bereich des Formteils aufgebracht und durch Einwirkung von Wärme mit diesem stoffschlüssig verbunden wird.
Formteile aus Kunststoffmaterialien, insbesondere aus faserverstärkten Kunststoffen, werden in zunehmendem Maße im Fahrzeugbau, insbesondere beim Bau von Luftfahrzeugen, als Alternative oder Ergänzung zu einer metallischen Bauweise eingesetzt. Der wesentliche Vorteil liegt dabei in einer deutlichen Gewichtsreduktion. Als nachteilig gegenüber einer metallischen Bauweise stellt sich jedoch dar, dass die zuverlässige Reparatur eines beschädigten Bereichs der verwendeten Kunststoffformteile derzeit nur eingeschränkt möglich ist, sodass häufig das gesamte Formteil ersetzt werden muss. Dies führt zu sehr hohen Reparaturkosten.
Als Kunststoffmaterialien kommen in der Praxis sowohl Thermoplaste als auch Duroplaste, in beiden Fällen bevorzugt mit einer Faserverstärkung, zum Einsatz. Zur Reparatur von duromeren Formteilen wird ein Verfahren eingesetzt, bei dem ein entsprechend geformtes Reparaturelement (Patch) mit Hilfe eines wärmehärtbaren Klebstoffs (ebenfalls ein Duroplast) auf bzw. in den beschädigten Bereich des Formteils geklebt wird. Um eine ausreichende Festigkeit der Verbindung zwischen dem Formteil und dem Reparaturelement zu erreichen, müssen geeignete Druck- und Temperaturverhältnisse eingestellt werden, was mittels eines Vakuumaufbaus und einem flexiblen Heizelement (in der Regel eine Heizdecke) erreicht wird. Zur Aushärtung des Klebstoffs sind dabei Temperaturen von maximal etwa 180 °C ausreichend.
Bei Formteilen aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial ist statt einer solchen Verklebung in der Regel eine homogene stoffschlüssige Verbindung zwischen dem beschädigten Bereich und dem Reparaturelement wünschenswert, was nur durch ein Aufschmelzen und Ineinanderfließen des thermoplastischen Kunststoffs realisiert werden kann. Bei den in der Praxis verwendeten Hochtemperaturthermoplasten ist hierfür eine Temperatur von mindestens 300 °C, teilweise auch von bis zu 400 °C, erforderlich, die mit dem oben beschriebenen Verfahren bzw. mit den dabei verwendeten Heizelementen nicht erreicht werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Reparaturverfahren für ein Formteil aus einem Kunststoffmaterial vorzuschlagen, das insbesondere auch bei thermoplastischen Kunststoffen eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei dem Reparaturverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wärme mittels eines passiven Heizelements aus einem elektrisch leitenden Material erzeugt wird, indem das Heizelement mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich somit das Prinzip der Induktionsheizung zu nutze, d.h. das passive Heizelement erwärmt sich aufgrund von Wirbelströmen, die durch das magnetische Wechselfeld in dem elektrisch leitenden Material des Heizelements induziert werden. Die induzierte Wärme gibt das Heizelement an das Formteil und an das Reparaturelement, in deren unmittelbarer Nähe das Heizelement angeordnet wird, ab, wobei der besondere Vorteil der Erfindung darin besteht, dass das Heizelement selbst über keinerlei elektrische oder sonstige Anschlüsse verfügt und somit in Bezug auf einen möglichst effektiven Wärmeübergang optimal positioniert werden kann, ohne dass diese Positionierung einer Einschränkung durch elektrische Anschlüsse wie bei den herkömmlich verwendeten Heizdecken oder ähnlichen Heizelementen unterliegt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine gasundurchlässige Folie über dem beschädigten Bereich des Formteils und dem Reparaturelement angeordnet, wobei durch Anlegen eines Vakuums in dem Bereich zwischen der Folie und dem Formteil während der Wärmeeinwirkung das Reparaturelement auf das Formteil gepresst wird. Ein solcher Vakuumaufbau ist an sich bekannt und ermöglicht eine hohe Anpresskraft des Reparaturelements an bzw. in den beschädigten Bereich des Formteils während der Wärmeeinwirkung, sodass eine stoffschlüssige Verbindung (durch Aufschmelzen eines thermoplastischen Kunststoffs oder Verkleben eines duroplastischen Kunststoffs) erreicht werden kann. Gegenüber einem Anpressen des Reparaturelements mittels einer mechanischen Presse oder dergleichen bietet diese Vakuumtechnik den Vorteil, dass keine Gegenkraft von der Rückseite des Formteils her angelegt werden muss, sodass Reparaturen auch an einem verbauten Formteil durchgeführt werden können (so genannte In-Field-Reparatur).
Günstigerweise wird das Heizelement zwischen dem Reparaturelement und der gasundurchlässigen Folie angeordnet, d.h. das Heizelement befindet sich innerhalb des mit dem Vakuum beaufschlagten Bereichs. Dadurch wird ein direkter Wärmeübergang vom Heizelement auf das Reparaturelement und das Formteil ermöglicht, sodass auch sehr hohe Temperaturen von bis zu 400 °C, die zur Reparatur eines Formteils aus einem Hochleistungsthermoplast erforderlich sind, erreicht werden können. Diese vorteilhafte Anordnung des Heizelements wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass es sich erfindungsgemäß um ein passives Heizelement ohne elektrische Anschlüsse handelt, da solche Anschlüsse zu einem zusätzlichen Aufwand bei der Abdichtung zwischen dem Formteil und der gasundurchlässigen Folie in deren Randbereich führen würden.
Um eine Wärmeentwicklung in dem passiven Heizelement durch Induktion zu ermöglichen, muss dieses aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Bevorzugt ist das Heizelement aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere aus Eisen oder Stahl, gebildet, da die Wärminduktion bei solchen Materialen besonders effektiv ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass die Größe und Gestalt des Heizelements – im Gegensatz zu den bekannten aktiven Heizelementen – kaum Einschränkungen unterworfen ist und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden kann. Bei dem Heizelement kann es sich z.B. typischerweise um eine Stahlplatte handeln, deren Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser des Reparaturelements, sodass eine effektive Wärmeinwirkung sowohl auf das Reparaturelement als auch auf den angrenzenden Bereich des Formteils ermöglicht wird. Der erwärmte angrenzende Bereich sollte hierbei jedoch nicht zu groß sein, d.h. im Wesentlichen sollte nur der für die Reparatur erforderliche Bereich erwärmt werden.
Das Heizelement weist vorzugsweise eine runde Form auf, die sich bei Beaufschlagung mit dem magnetischen Wechselfeld in der Mitte am Stärksten erwärmt, was insoweit vorteilhaft ist, als das Reparaturelement häufig in der Mitte die größte Dicke aufweist und dort der größte Wärmeeintrag erforderlich ist. Das Heizelement kann bei Bedarf aber auch jede andere Form aufweisen, z.B. eine rechteckige Form.
Die Oberflächenkontur des Heizelements ist bevorzugt an die Oberflächenkontur des beschädigten Bereichs des Formteils und/oder des Reparaturelements angepasst. Auf diese Weise kann ein besonders effektiver Wärmeübergang vom Heizelement auf das Formteil und das Reparaturelement erfolgen. Da es sich bei dem Heizelement z.B. um eine einfache Stahlplatte handeln kann, ist eine solche Anpassung mit einem relativ geringen Aufwand möglich. Die Oberflächenkontur des Formteils kann eben sein, häufig liegt jedoch eine gekrümmte Oberflächenkontur vor wie z.B. bei einem Flugzeugrumpf oder -flügel.
Das magnetische Wechselfeld wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise mittels einer Induktionsspule erzeugt, die außerhalb der gasundurchlässigen Folie angeordnet wird. Die Induktionsspule befindet sich also außerhalb des Vakuumaufbaus, sodass deren Abdichtung durch die erforderlichen elektrischen Anschlüsse der Induktionsspule nicht beeinträchtigt wird.
Günstig ist es, wenn außerhalb der gasundurchlässigen Folie eine thermische Isolierung angeordnet wird. Durch diese Isolierung kann eine Wärmeabgabe von dem Heizelement an die Umgebung deutlich reduziert werden, so dass die Wärmeeinwirkung auf das Reparaturelement und den beschädigten Bereich des Formteils verstärkt wird bzw. dieselbe Wärmeinwirkung mit einer geringeren Leistung der Induktionsspule erreicht werden kann. Die thermische Isolierung ist vorzugsweise direkt auf der gasundurchlässigen Folie angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Kunststoffmaterial eine Polymermatrix aus einem Thermoplast auf. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, wie oben beschrieben, eine Reparatur von Formteilen aus Hochtemperaturthermoplasten, die bevorzugt ausgewählt sind aus Polyetherketonen, Polyetherimiden, Polyphenylensulfiden, Polyethersulfonen und Mischungen hiervon. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch bei anderen Thermoplasten, wie z.B. Polypropylen, angewendet werden.
Bei der Reparatur eines Formteils aus einem Kunststoffmaterial mit einer thermoplastischen Polymermatrix werden der beschädigte Bereich des Formteils und das Reparaturelement durch die Wärmeeinwirkung bevorzugt auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 400 °C aufgeheizt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist was Polymermaterial eine Polymermatrix aus einem Duroplast auf, und es wird ein wärmehärtender Klebstoff zwischen dem beschädigten Bereich des Formteils und dem Reparaturelement angeordnet. Auch für eine derartige Reparatur von Duroplasten (z.B. Epoxid-, Acryl- oder Polyesterharzen), die Eingangs beschrieben wurde, ist das erfindungsgemäße Verfahren hervorragend geeignet, auch wenn hier nur geringere Temperaturen erforderlich sind als bei der Reparatur von Hochtemperaturthermoplasten.
Auch wenn das Verfahren gleichermaßen bei Formteilen aus unverstärkten Kunststoffmaterialien eingesetzt werden kann, ist es in der Regel bevorzugt, wenn das Kunststoffmaterial eine Faserverstärkung umfasst, insbesondere eine Endlosfaserverstärkung aus Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern. Die Verstärkungsfasern sind typischerweise in Form einzelner Lagen (z.B. als Multiaxialgelege oder als unidirektionales Tape) in die Polymermatrix des Kunststoffmaterials eingebettet, wobei vor der Reparatur die Kontaktbereiche des beschädigten Bereichs des Formteils und des Reparaturelements bevorzugt so präpariert werden, dass eine gestaffelte Anordnung der Verstärkungsfasern des Formteils und des Reparaturelements vorliegt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zwischen dem Reparaturelement und dem Heizelement eine Wärmeschutzfolie angeordnet, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist als das Kunststoffmaterial des Formteils und des Reparaturelements. Dadurch wird verhindert, dass das durch die Wärmeeinwirkung aufgeschmolzene Kunststoffmaterial des Reparaturelements und des Formteils bei direktem Kontakt mit dem Heizelement an diesem festklebt. Eine Wärmeschutzfolie, die auch bei der Schmelztemperatur der für das Formteil eingesetzten Thermoplaste verwendbar ist, kann insbesondere aus einem Polyimid hergestellt sein (z.B. Kapton^® von der Firma DuPont).
Ferner ist es bevorzugt, wenn zwischen dem Reparaturelement und dem Heizelement oder gegebenenfalls zwischen der Schutzfolie und dem Heizelement eine mechanische Entkopplungsschicht angeordnet ist. Diese Entkopplungsschicht dient dazu, Spannungen zwischen dem Heizelement und dem Reparaturelement bzw. der Wärmeschutzfolie zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien entstehen. Die mechanische Entkopplungsschicht kann z.B. ein multiaxiales Kohlenstofffasergelege umfassen, wodurch ein Gleiten des Heizelements auf dem Reparaturelement bzw. auf der Wärmeschutzfolie ermöglicht wird.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Schematische Darstellung eines Aufbaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens für ein Formteil aus einem Kunststoffmaterial; und
2: schematische Darstellung des Formteils nach der Durchführung des Reparaturverfahrens.
Die 1 zeigt schematisch einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens für ein Formteil 10 aus einem Kunststoffmaterial. Das Formteil 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein flächiges Element, welches in der 1 in einer Querschnittsdarstellung gezeigt ist.
Das Formteil 10 besteht aus einem Kunststoffmaterial mit einer Polymermatrix aus einem Hochtemperaturthermoplast, z.B. Polyetheretherketon (PEEK), und in die Polymermatrix eingebettete Lagen von Verstärkungsfasern 12, z.B. multiaxiale Gelege von Kohlenstofffasern. Das Formteil 10 kann z.B. eine Dicke im Bereich von 3 bis 15 mm aufweisen und etwa 20 bis 100 Lagen von Verstärkungsfasern 12 umfassen (in der 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur deutlich weniger Lagen dargestellt).
Das Formteil 10 weist einen beschädigten Bereich 14 auf, der durch ein entsprechend geformtes Reparaturelement 16, welches aus demselben faserverstärkten Kunststoffmaterial wie das Formteil 10 besteht, repariert werden soll. Die Kontaktflächen des beschädigten Bereichs 14 und des Reparaturelements 16 sind mittels Fräsen oder Bearbeitung mit einem Laser so präpariert, dass eine gestaffelte Anordnung der Lagen der Verstärkungsfasern 12 vorliegt.
Auf dem Reparaturelement 16 und dem angrenzenden Bereich des Formteils 10 ist eine Wärmeschutzfolie 18 (z.B. aus dem Polyimid Kapton^®) angeordnet, auf der Wärmeschutzfolie 18 eine mechanische Entkopplungsschicht 20 (z.B. eine multiaxiales Gelege aus Kohlenstofffasern), und darauf schließlich ein passives Heizelement 22 in Form einer Stahlplatte. Sowohl die Form als auch die Oberflächenkontur des Heizelements 22 sind an die Form und die Oberflächenkontur des Reparaturelements 16 und des Formteils 10 angepasst. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 22 eine ebene runde Stahlplatte, es sind jedoch auch vielfältige andere Formen denkbar.
Der beschädigte Bereich 14 mit dem Reparaturelement 16, der Wärmeschutzfolie 18, der mechanischen Entkopplungsschicht 20 und dem passiven Heizelement 22 wird von einer gasundurchlässigen Folie 24 vollständig abgedeckt, wobei zwischen dem umlaufenden Randbereich der gasundurchlässigen Folie 14 und dem Formteil 10 ein Abdichtungsband (sogenanntes Tacky Tape) angeordnet ist, um auch hier einen gasdichten Abschluss zu gewährleisten. Auf der gasundurchlässigen Folie 24 befindet sich eine thermische Isolierung 26.
Oberhalb der thermischen Isolierung 26 ist eine Induktionsspule 28 angeordnet, die an eine Wechselspannung 30 angeschlossen ist und mittels der ein magnetisches Wechselfeld im Bereich des Heizelements 22 induziert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt: in dem Bereich zwischen der gasundurchlässigen Folie 24 und dem Formteil 10 wird ein Vakuum angelegt (mittels einer in der 1 nicht dargestellten Vakuumpumpe), so dass das Heizelement 22 und das Reparaturelement 16 auf das Formteil 10 gepresst werden. Gleichzeitig wird das Heizelement 22 mit dem magnetischen Wechselfeld, welches durch die Induktionsspule 28 induziert wird, beaufschlagt, so dass sich das Heizelement 22 in Folge von Wirbelströmen erwärmt. Aufgrund der thermischen Isolierung 26, die oberhalb des Heizelements 22 angeordnet ist, wird die in dem Heizelement 22 erzeugte Wärme überwiegend in Richtung des Formteils 10 abgegeben, so dass das Reparaturelement 16 und der beschädigte Bereich 14 des Formteils 10 auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplastischen Kunststoffmaterials aufgeheizt werden können, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 400 °C. Durch die hohe Temperatur und die Anpressung des Reparaturelements 16 an den Formkörper 10 kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Reparaturelement 16 und dem beschädigten Bereich 14 entlang der gemeinsamen Kontaktflächen.
Die Wärmeschutzfolie 18, die auch bei der maximalen Temperatur des Heizelements 22 nicht schmilzt, verhindert ein Ankleben des angeschmolzenen Reparaturelements 16 an das Heizelement 22.
Die mechanische Entkopplungsschicht 20 dient dazu, Spannungen zwischen dem Heizelement 22 und der Wärmefolie 18 zu verringern, welche bei einem direkten Kontakt aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten resultieren würden.
Sobald eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Reparaturelement 16 und dem Formteil 10 durch Aufschmelzen des thermoplastischen Kunststoffmaterials hergestellt wurde, kann die Stromversorgung der Induktionsspule 28 unterbrochen und die Anordnung abkühlen gelassen werden. Die Dauer des Reparaturverfahrens ist dabei von der Größe und Dicke des Reparaturelements 16 abhängig, sie liegt jedoch typischerweise im Bereich von ca. 10 bis 30 min.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung des reparierten Formteils 10. Der Übergang zwischen dem beschädigten Bereich 14 und dem Reparaturelement 16, an dem eine stoffschlüssige Verbindung vorliegt, ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt.
Bezugszeichenliste

10: Formteil
12: Verstärkungsfasern
14: beschädigter Bereich
16: Reparaturelement
18: Wärmeschutzfolie
20: mechanische Entkopplungschicht
22: passives Heizelement
24: gasundurchlässige Folie
25: Abdichtungsband
26: thermische Isolierung
28: Induktionsspule
30: Wechselspannung

Claims

Reparaturverfahren für ein Formteil (10) aus einem Kunststoffmaterial, bei dem ein Reparaturelement (16) aus dem Kunststoffmaterial auf einen beschädigten Bereich (14) des Formteils (10) aufgebracht und durch Einwirkung von Wärme mit diesem stoffschlüssig verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mittels eines passiven Heizelements (22) aus einem elektrisch leitenden Material erzeugt wird, indem das Heizelement (22) mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt wird.
Reparaturverfahren nach Anspruch 1, wobei eine gasundurchlässige Folie (24) über dem beschädigten Bereich (14) des Formteils (10) und dem Reparaturelement (16) angeordnet wird, und wobei durch Anlegen eines Vakuums in dem Bereich zwischen der Folie (24) und dem Formteil (10) während der Wärmeeinwirkung das Reparaturelement (16) auf das Formteil (10) gepresst wird.
Reparaturverfahren nach Anspruch 2, wobei das Heizelement (22) zwischen dem Reparaturelement (16) und der gasundurchlässigen Folie (24) angeordnet wird.
Reparaturverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (22) aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere aus Eisen oder Stahl, gebildet ist.
Reparaturverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenkontur des Heizelements (22) an die Oberflächenkontur des beschädigten Bereichs (14) des Formteils (10) und/oder des Reparaturelements (16) angepasst ist.
Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das magnetische Wechselfeld mittels einer Induktionsspule (28) erzeugt wird, die außerhalb der gasundurchlässigen Folie (24) angeordnet wird.
Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei außerhalb der gasundurchlässigen Folie (24) eine thermische Isolierung (26) angeordnet wird.
Reparaturverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kunststoffmaterial eine Polymermatrix aus einem Thermoplast aufweist.
Reparaturverfahren nach Anspruch 8, wobei der Thermoplast ausgewählt ist aus Polyetherketonen, Polyetherimiden, Polyphenylensulfiden, Polyethersulfonen und Mischungen hiervon.
Reparaturverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der beschädigte Bereich (14) des Formteils (10) und das Reparaturelement (16) durch die Wärmeeinwirkung auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 400 °C aufgeheizt werden.
Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kunststoffmaterial eine Polymermatrix aus einem Duroplast aufweist, und wobei ein wärmehärtender Klebstoff zwischen dem beschädigten Bereich (14) des Formteils (10) und dem Reparaturelement (16) angeordnet wird.
Reparaturverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kunststoffmaterial eine Faserverstärkung (12) umfasst, insbesondere eine Endlosfaserverstärkung aus Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern.
Reparaturverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Reparaturelement (16) und dem Heizelement (22) eine Wärmeschutzfolie (18) angeordnet wird, die eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist als das Kunststoffmaterial des Formteils (10) und des Reparaturelements (16).
Reparaturverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Reparaturelement (16) und dem Heizelement (22) oder gegebenenfalls zwischen der Wärmeschutzfolie (18) und dem Heizelement (22) eine mechanische Entkopplungsschicht (20) angeordnet ist.