DE102011076463B4 - Repair method for a molding made of a plastic material - Google Patents
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Abstract
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) in Form einer Platte aus einem elektrisch leitenden ferromagnetischen Material erzeugt wird, indem das Heizelement (22), welches kein Teil des Reparaturelements (16) ist, mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt wird.Repair method for a molded part (10) made of a plastic material, in which a repair element (16) made of the plastic material is applied to a damaged area (14) of the molded part (10) and is integrally connected to it by the action of heat, characterized in that the Heat is generated by means of a passive heating element (22) in the form of a plate made of an electrically conductive ferromagnetic material in that the heating element (22), which is not part of the repair element (16), is subjected to an alternating magnetic field.
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.The present invention relates to a repair method for a molded part made of a plastic material, in which a repair element made of the plastic material is applied to a damaged region of the molded part and bonded to it by the action of heat.
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.Moldings made of plastic materials, in particular of fiber-reinforced plastics, are increasingly being used in vehicle construction, in particular in the construction of aircraft, as an alternative or supplement to a metallic construction. The main advantage lies in a significant weight reduction. However, a disadvantage compared to a metallic construction is that the reliable repair of a damaged area of the plastic molded parts used is currently only possible to a limited extent, so that frequently the entire molded part must be replaced. This leads to very high repair costs.
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.As plastic materials, both thermoplastics and thermosets, in both cases preferably with a fiber reinforcement, are used in practice. For the repair of thermoset molded parts, a method is used in which a correspondingly shaped repair element (patch) with the aid of a thermosetting adhesive (also a thermoset) is glued to or in the damaged area of the molding. In order to achieve a sufficient strength of the connection between the molded part and the repair element, suitable pressure and temperature conditions must be set, which is achieved by means of a vacuum structure and a flexible heating element (usually an electric blanket). To cure the adhesive while temperatures of about 180 ° C are sufficient.
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.In the case of molded parts made of a thermoplastic material, instead of such bonding, as a rule, a homogeneous cohesive connection between the damaged area and the repair element is desirable, which can only be achieved by melting and interpenetrating the thermoplastic. For the high-temperature thermoplastics used in practice, this requires a temperature of at least 300 ° C., in some cases up to 400 ° C., which can not be achieved with the method described above or with the heating elements used in the process.
Die
Die
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.The invention is therefore based on the object to propose a repair method for a molded part of a plastic material, which can be used in particular in thermoplastic materials.
Diese Aufgabe wird bei dem Reparaturverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wärme mittels eines passiven Heizelements in Form einer Platte aus einem elektrisch leitenden ferromagnetischen Material erzeugt wird, indem das Heizelement, welches kein Teil des Reparaturelements ist, mit einem magnetischen Wechselfeld beaufschlagt wird.This object is achieved in the repair method of the type mentioned in the present invention, that the heat is generated by means of a passive heating element in the form of a plate of an electrically conductive ferromagnetic material by the heating element, which is not part of the repair element, subjected to an alternating magnetic field becomes.
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.The inventive method thus makes use of the principle of induction heating, d. H. the passive heating element heats up due to eddy currents induced by the alternating magnetic field in the electrically conductive material of the heating element. The induced heat is the heating element to the molding and the repair element, in the immediate vicinity of the heating element is arranged from, with the particular advantage of the invention is that the heating element itself has no electrical or other connections and thus with respect to the most effective heat transfer can be optimally positioned without this positioning is subject to restriction by electrical connections as in the conventionally used electric blankets or similar heating elements.
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).In a particularly advantageous embodiment of the invention, a gas-impermeable film is arranged over the damaged area of the molding and the repair element, wherein the repair element is pressed onto the molding by applying a vacuum in the area between the film and the molding during the action of heat. Such a vacuum structure is known per se and allows a high contact pressure of the repair element on or in the Damaged area of the molding during the action of heat, so that a material connection (by melting a thermoplastic material or bonding a thermosetting plastic) can be achieved. Compared to a pressing of the repair element by means of a mechanical press or the like, this vacuum technique offers the advantage that no counterforce from the back of the molded part has to be created, so that repairs can also be performed on a built-in molded part (so-called in-field repair).
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.Conveniently, the heating element is disposed between the repair element and the gas impermeable film, i. H. the heating element is located within the area exposed to the vacuum. This allows a direct heat transfer from the heating element to the repair element and the molded part, so that even very high temperatures of up to 400 ° C, which are required to repair a molded part from a high-performance thermoplastic, can be achieved. This advantageous arrangement of the heating element is made possible, in particular, by the fact that according to the invention it is a passive heating element without electrical connections, since such connections would lead to an additional expense in the sealing between the molded part and the gas-impermeable film in its edge region.
Um eine Wärmeentwicklung in dem passiven Heizelement durch Induktion zu ermöglichen, muss dieses aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Erfindungsgemäß ist das Heizelement aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere aus Eisen oder Stahl, gebildet, da die Wärminduktion bei solchen Materialen besonders effektiv ist.In order to allow heat to develop in the passive heating element by induction, it must be made of an electrically conductive material. According to the invention, the heating element is made of a ferromagnetic material, in particular of iron or steel, since the heat induction is particularly effective in such materials.
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.Another advantage of the invention is that the size and shape of the heating element - in contrast to the known active heating elements - is hardly subject to any restrictions and can be adapted to the respective requirements. The heating element may, for. Typically, for example, be a steel plate whose diameter is slightly larger than the diameter of the repair element, so that an effective heat action is made possible both on the repair element and on the adjacent region of the molding. However, the heated adjacent area should not be too large, d. H. Essentially, only the area required for repair should be heated.
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.The heating element preferably has a round shape, which heats up the strongest when exposed to the alternating magnetic field in the middle, which is advantageous insofar as the repair element often has the greatest thickness in the middle and there the largest heat input is required. The heating element may also have any other shape, if necessary, for. B. a rectangular shape.
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.The surface contour of the heating element is preferably adapted to the surface contour of the damaged region of the molded part and / or the repair element. In this way, a particularly effective heat transfer from the heating element to the molded part and the repair element can take place. Since it is in the heating element z. B. may be a simple steel plate, such adaptation is possible with relatively little effort. The surface contour of the molded part may be flat, but often there is a curved surface contour such. B. in an aircraft fuselage or wing.
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.In the method according to the invention, the alternating magnetic field is preferably generated by means of an induction coil, which is arranged outside the gas-impermeable film. The induction coil is therefore located outside of the vacuum structure, so that their seal is not affected by the required electrical connections of the induction coil.
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.It is advantageous if a thermal insulation is arranged outside the gas-impermeable film. By this insulation, a heat transfer from the heating element to the environment can be significantly reduced, so that the heat action on the repair element and the damaged portion of the molded part is enhanced or the same effect of heat can be achieved with a lower performance of the induction coil. The thermal insulation is preferably arranged directly on the gas-impermeable film.
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.In a preferred embodiment of the invention, the plastic material comprises a polymer matrix of a thermoplastic. In particular, as described above, the process according to the invention makes it possible to repair molded parts made of high-temperature thermoplastics, which are preferably selected from polyether ketones, polyetherimides, polyphenylene sulfides, polyether sulfones and mixtures thereof. The inventive method can also be used in other thermoplastics such. As polypropylene, are applied.
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.When repairing a molding made of a plastic material with a thermoplastic polymer matrix, the damaged area of the molding and the repairing element are preferably heated by the action of heat to a temperature in the range of 300 to 400 ° C.
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 Hochtemperaturhermoplasten.In another embodiment of the invention, what polymeric material comprises a polymer matrix of a thermoset, and it becomes thermosetting adhesive disposed between the damaged portion of the molding and the repair element. Also, for such a repair of thermosets (eg epoxy, acrylic or polyester resins), the input was described, the inventive method is outstandingly suitable, even if only lower temperatures are required here than in the repair of high-temperature thermoplastics.
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.Although the method can equally be used with molded parts made of unreinforced plastics materials, it is generally preferred if the plastic material comprises a fiber reinforcement, in particular an endless fiber reinforcement of glass, carbon or aramid fibers. The reinforcing fibers are typically embedded in the polymer matrix of the plastic material in the form of individual layers (eg, as a multiaxial lay or as a unidirectional tape), wherein prior to repair, the contact areas of the damaged area of the molded part and the repairing element are preferably prepared such that a staggered arrangement the reinforcing fibers of the molding and the repair element is present.
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).In a further advantageous embodiment of the invention, a heat protection film is arranged between the repair element and the heating element, which has a higher temperature resistance than the plastic material of the molded part and the repair element. This prevents the molten by the heat plastic material of the repair element and the molding stuck in direct contact with the heating element at this. A heat protective film, which is also applicable to the melting temperature of the thermoplastics used for the molding may be particularly made of a polyimide (e.g., Kapton ® by 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.Furthermore, it is preferred if a mechanical decoupling layer is arranged between the repair element and the heating element or, if appropriate, between the protective film and the heating element. This decoupling layer is used to avoid or at least reduce stresses between the heating element and the repair element or the heat protection film, which are caused by the different thermal expansion coefficients of the materials. The mechanical decoupling layer may, for. B. a multiaxial carbon fiber web cover, whereby a sliding of the heating element on the repair element or on the heat shielding film is made possible.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.These and other advantages of the invention will be explained in more detail with reference to the embodiment described below with reference to the figures.
Es zeigen im Einzelnen:They show in detail:
Die
Das Formteil
Das Formteil
Auf dem Reparaturelement
Der beschädigte Bereich
Oberhalb der thermischen Isolierung
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt: in dem Bereich zwischen der gasundurchlässigen Folie
Die Wärmeschutzfolie
Die mechanische Entkopplungsschicht
Sobald eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Reparaturelement
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Formteilmolding
- 1212
- Verstärkungsfasernreinforcing fibers
- 1414
- beschädigter Bereichdamaged area
- 1616
- Reparaturelementrepair element
- 1818
- WärmeschutzfolieHeat protector
- 2020
- mechanische Entkopplungschichtmechanical decoupling layer
- 2222
- passives Heizelementpassive heating element
- 2424
- gasundurchlässige Foliegas impermeable film
- 2525
- Abdichtungsbandsealing tape
- 2626
- thermische Isolierungthermal insulation
- 2828
- Induktionsspuleinduction coil
- 3030
- WechselspannungAC
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