DE102011089287A1

DE102011089287A1 - Verfahren für das Herstellen einer Befestigungsschnittstelle

Info

Publication number: DE102011089287A1
Application number: DE201110089287
Authority: DE
Inventors: Maik Hammer; Nicolai Skrynecki; Johann van Niekerk
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für das Herstellen einer Befestigungsschnittstelle (50) an einem Bauteil (10) aus Faserverbundmaterial mit Fasern (20) und einem die Fasern (20) umgebenden Matrixwerkstoff (30), aufweisend die folgenden Schritte: – Freilegen zumindest eines Abschnittes der Fasern (20) des Bauteils (10), – Erzeugen einer metallischen Schicht (40) durch direktes Beschichten zumindest eines Teils der freigelegten Fasern (20) mit einem metallischen Werkstoff zur Ausbildung der Befestigungsschnittstelle (50).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für das Herstellen einer Befestigungsschnittstelle an einem Bauteil aus Faserverbundmaterial sowie ein Bauteil aus Faserverbundmaterial mit einer solchen Befestigungsschnittstelle.
Es ist grundsätzlich bekannt, Bauteile aus Faserverbundmaterial herzustellen. Unter Faserverbundmaterial ist dabei ein Material zu verstehen, welches Fasern aufweist, die von einem Matrixwerkstoff umgeben werden. Dabei dienen die Fasern als Versteifung zur Erhöhung der Stabilität und mechanischen Steifigkeit des Bauteils. Die Fasern sind zum Beispiel Glas- oder Karbonfasern, während der Matrixwerkstoff häufig ein Harz ist, welches eingebracht und ausgehärtet wurde.
Bekannte Faserverbundmaterialien kommen inzwischen auch als Bauteile für Fahrzeuge, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, in Betracht. Nachteilhaft dabei ist es jedoch, dass die Verbindung solcher Bauteile, insbesondere mit konventionellen Bauteilen zum Beispiel aus Metall, wie Aluminium oder Stahl, nur schwierig herstellbar ist. Neben der Möglichkeit des Klebens, welches nicht reversibel lösbar ist, besteht das Problem das Standardverbindungsverfahren wie Schrauben, Nieten oder Schweißen bei einem Faserverbundmaterial nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich sind. Neben den Schwierigkeiten der neuen erforderlichen Fertigungs- und Fügeverfahren beinhaltet die Verwendung der Faserverbundmaterialien damit auch den Nachteil, dass beim Einsatz neuer Bauteile aus Faserverbundmaterial bestehende Fertigungsabläufe in der Fahrzeugindustrie geändert werden müssten. Neben einer Erhöhung der Komplexität sind hier Umstellungskosten ein großer Nachteil.
Es wurde bereits vorgeschlagen, dass Faserverbundbauteile hinsichtlich ihrer Festigkeit durch Beschichten des Faserverbundbauteils verbessert werden. Zum Beispiel ist aus der DE 10 2008 001 468 A1 bekannt, dass ein Faserverbundbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug durch abschnittsweises Vorbehandeln des Faserverbundbauteils anschließend beschichtet wird. Diese Beschichtung dient jedoch nur dem Schutz des Faserverbundbauteils und bildet selbst nicht genug mechanische Stabilität aus, um als Schnittstelle zu konventionellen Bauteilen aus Metall dienen zu können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für das Herstellen einer Befestigungsschnittstelle an einem Bauteil aus Faserverbundmaterial und ein entsprechendes Bauteil zur Verfügung zu stellen, welche in kostengünstiger und einfacher Weise eine sichere Schnittstelle zum konventionellen Verbinden mit einem weiteren Bauteil, insbesondere einem metallenen Bauteil zur Verfügung stellen.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bauteil und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient dem Herstellen einer Befestigungsschnittstelle an einem Bauteil aus Faserverbundmaterial mit Fasern und einem die Fasern umgebenden Matrixwerkstoff. Unter einer Befestigungsschnittstelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit zu verstehen an dieser Schnittstelle eine mechanische Verbindung zu einem weiteren Bauteil herzustellen. Dies kann eine lösbare oder eine unlösbare Verbindung sein. So können Schraubverbindungen, Nietverbindungen oder Schweißverbindungen als Beispiele hierfür in Frage kommen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Freilegen zumindest eines Abschnittes der Fasern des Bauteils,
– Erzeugen einer metallischen Schicht durch direktes Beschichten zumindest eines Teils der freigelegten Fasern mit einem metallischen Werkstoff zur Ausbildung der Befestigungsschnittstelle.

Unter einem Freilegen zumindest eines Abschnitts der Fasern des Bauteils ist grundsätzlich das Zugänglichmachen dieser Fasern zu verstehen. Demnach gilt auch als Freilegen zumindest eines Abschnitts der Fasern, wenn diese Fasern bereits offen zur Verfügung gestellt werden und in der gewünschten Weise, also zum Beispiel als Geflecht, freigelegt für den nachfolgenden Beschichtungsschritt vorliegen. Insbesondere dient das Freilegen jedoch dazu, eine Materialschicht, insbesondere aus Matrixwerkstoff, von den Fasern wieder zu entfernen, um dadurch eine Ausnehmung beziehungsweise eine Vertiefung auszubilden, in welcher zumindest ein Abschnitt der Fasern freigelegt zum Vorschein kommt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht es also, unabhängig von dem Matrixwerkstoff eine direkte Beschichtung der Fasern zur Verfügung zu stellen. Da es sich bei den Fasern um ein wesentliches mechanisches Versteifungselement des Bauteils aus Faserverbundmaterial handelt, führt eine Beschichtung dieser Fasern zu einer mechanisch stabilen Verbindung zwischen den Fasern und der metallischen Schicht. Demnach kann über diese Verbindung zwischen metallischer Schicht und Fasern ein großer Kraftanteil von der metallischen Schicht als Befestigungsschnittstelle auf den Rest des Bauteils übertragen werden. Mit anderen Worten wird ein mechanisch stabiler Zusammenhalt zwischen der metallischen Schicht und den Fasern des Faserverbundmaterials, also dem Bauteil, zur Verfügung gestellt. Damit kann diese metallische Schicht in erfindungsgemäßer Weise als Befestigungsschnittstelle dienen.
Eine Befestigungsschnittstelle ist dabei sowohl direkt, als auch indirekt zu verstehen. So kann auf der metallischen Schicht zum Beispiel direkt eine Schweißverbindung getätigt werden. Auch das Vorsehen weiterer Befestigungselemente, wie zum Beispiel Muttern, Hülsen oder Gewinde, welche an oder in der metallischen Schicht angebracht werden, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren wird es möglich, eine Befestigungsschnittstelle auch an einem neuartigen Material, wie einem Bauteil aus Faserverbundmaterial, zur Verfügung zu stellen, bei welchem klassische metallische Fügeverfahren eingesetzt werden können. So kann ohne eine weitere Behandlung des Faserverbundmaterials ein Schweißen, ein Schrauben oder ein Nieten stattfinden, welches in bekannter Weise die gewünschten Kraftübertragungseigenschaften mit sich bringt. Entscheidend für ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es, dass die metallische Schicht durch direktes Beschichten der freigelegten Fasern erzeugt wird. Auf diese Weise wird die gewünschte Kraftübertragung zwischen der metallischen Schicht und den Fasern möglich. Andernfalls bestünde die Gefahr, dass die metallische Schicht nur indirekt über den Matrixwerkstoff mit dem Bauteil und den darin eingebetteten Fasern verbunden wäre. Dies würde zu deutlich verringerter Stabilität führen, insbesondere zu einer deutlich reduzierten Kraftübertragungsmöglichkeit von der Befestigungsschnittstelle, also der metallischen Schicht, auf die Fasern. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren wird dagegen die mechanische Stabilität solcher Fügeverbindungen an der Befestigungsschnittstelle um ein Vielfaches erhöht. Das direkte Beschichten der Fasern kann insbesondere durch einen Materialschluss, einen Formschluss oder einen Kraftschluss erfolgen. Als Verfahren seien hierfür als Beispiel Laserschweißverfahren, Schweißverfahren oder eingreifende und kaltverformte Pins genannt.
Die Form der Befestigungsschnittstelle und damit auch die Form des freigelegten Abschnitts sind an die entsprechende Einsatzsituation anpassbar. Dementsprechend kann auch keine Einschränkung auf eine bestimmte Form erfolgen, da je nach Einsatzsituation runde, eckige oder andersartige Formen für eine solche Befestigungsschnittstelle von Vorteil sein können. Die vorliegende Erfindung ist daher nicht auf eine bestimmte Form beschränkt.
Unter einem Bauteil aus Faserverbundmaterial ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Bauteil für ein Fahrzeug, besonders bevorzugt für ein Kraftfahrzeug, zu verstehen. Gerade dort wird ein großer Vorteil dadurch erzielt, dass bekannte Verfahren und Fertigungsschritte beibehalten werden können und gleichzeitig die gewünschte Gewichtsreduktion durch den Einsatz von Faserverbundmaterial erzielt werden kann. In dieser Kombination wird die Einsatzmöglichkeit von Faserverbundmaterialien im Fahrzeugbau deutlich erhöht, wodurch Gewicht und damit Treibstoffverbrauch der Fahrzeuge reduziert werden können. Die Bauteile sind insbesondere nichttragende Bauteile, wie zum Beispiel Verkleidungsteile der Karosserie.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann dadurch weitergebildet sein, dass die Fasern durch das Entfernen zumindest eines Teils des bestehenden Matrixwerkstoffes des Faserverbundmaterials freigelegt werden. Bei dieser Variante besteht das Bauteil bereits fertiggestellt als Halbzeug mit ausgehärtetem oder teilweise ausgehärtetem Matrixwerkstoff. Dieses Bauteil kann sowohl als Fertigbauteil zugekauft werden oder speziell auf den gewünschten Einsatzzweck angepasst sein. In beiden Fällen kann durch unterschiedlichste Verfahren ein Freilegen zumindest eines Abschnitts der Fasern durchgeführt werden. Neben dem im nachfolgenden Absatz noch näher beschriebenen Verdampfen des Matrixwerkstoffes ist auch eine mechanische Bearbeitung, zum Beispiel in spanender Weise, oder das chemische Behandeln, insbesondere durch Ätzen der Matrixwerkstoffbereiche, denkbar. Durch das Freilegen mittels Entfernen eines Teils des bestehenden Matrixwerkstoffes entstehen sozusagen eine Vertiefung und/oder eine Aussparung in dem Bauteil. Diese Vertiefung und/oder Aussparung wird insbesondere im Wesentlichen vollständig mit dem metallischen Werkstoff unter Bildung der metallischen Schicht ausgefüllt, so dass anschließend die Befestigungsschnittstelle einen ebenen Ausgleich zwischen dem Rest des Bauteils aufweist.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Freilegen der Fasern durch Bestrahlung aus einem Laser erfolgt. Dabei werden vorzugsweise Laserstrahlen in hochenergetischen Pulsen auf den Matrixwerkstoff fokussiert, so dass dort kein Verbrennen, sondern ein sofortiges Verdampfen des Matrixwerkstoffes erfolgt. Dieses Verdampfen wird vorzugsweise in Punkten und/oder Linien durchgeführt, so dass in Summe eine Fläche als Vertiefung oder Aussparung in dem Bauteil erzielt werden kann. Vorzugsweise kann der Laser auch für weitere Verfahrensschritte, insbesondere das Erzeugen der metallischen Schicht, zum Einsatz kommen. Bei einer solchen Ausführungsform muss das Bauteil zwischen den einzelnen Verfahrensschritten nicht gewechselt werden, wodurch eine weitere Kostenverbesserung und Komplexitätsreduktion erzielt wird.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Beschichtung der freigelegten Fasern durch das Aufschmelzen des metallischen Werkstoffes in Form eines metallischen Pulvers erfolgt. Dies reduziert die Komplexität des erfindungsgemäßen Verfahrens noch weiter. So kann in besonders einfacher Weise das metallische Pulver in die entstandene Vertiefung und/oder Aussparung in dem Matrixwerkstoff eingestreut und/oder direkt auf die Fasern gestreut werden. Anschließend kann durch Erhitzen und das entsprechende Fließen der aufgeschmolzenen Pulverpartikel die gewünschte metallische Schicht hergestellt werden. Dabei sind sämtliche metallische Pulver denkbar. Insbesondere seien hier Aluminium, Titan, verschiedenste Stähle (beinhaltend Legierungen), aber auch Gold oder Platin genannt. Das Aufschmelzen erfolgt vorzugsweise mittels Laser, der zum Erhitzen des Pulvers dient. Wird das Freilegen der Fasern ebenfalls durch das Bestrahlen aus einem Laser erzielt, so wird vorzugsweise der gleiche Laser auch für das Aufschmelzen des metallischen Werkstoffes eingesetzt. Man kann von Lasersintern und/oder Laserschweißen für das Aufbringen der metallischen Schicht sprechen. Alternativ sind selbstverständlich auch Gießvarianten denkbar, welche den metallischen Werkstoff aufschmelzen und in flüssiger Weise in die gewünschte Position an den freigelegten Fasern bringen.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Schritt des Beschichtens zumindest eines Teils der freigelegten Fasern mehrfach hintereinander ausgeführt wird, um die Dicke der metallischen Schicht schrittweise zu vergrößern. Dabei wird vorzugsweise in einem einzigen Beschichtungsdurchgang ca. 50 bis 100 μm an metallischer Schicht aufgetragen. Die Gesamtdicke ist auf diese Weise durch die freie Wahl der Anzahl der Durchführung der Schritte des Beschichtens ebenfalls frei anpassbar. Vorzugsweise wird die Dicke an die jeweilige mechanische Belastung angepasst sein, so dass die entstehende Befestigungsschnittstelle die gewünschte mechanische Stabilität mit sich bringt. Dabei kann die Gesamtdicke durchaus mehrere cm (1 bis 10 cm) stark sein. Insbesondere erfolgt ein Verschmelzen der einzelnen Schichten miteinander, so dass final nur eine einzige metallische Schicht bestehen bleibt. Es entsteht also vorzugsweise ein Materialschluss zwischen den einzeln aufgetragenen metallischen Schichten. Dabei kann ein Wiedererhitzen und Anschmelzen der Oberfläche der bereits vorher aufgebrachten metallischen Schicht genauso durchgeführt werden, wie eine schnelle Abfolge der einzelnen Schichtaufbringungen nacheinander, so dass kein vollständiges Erkalten der vorher aufgebrachten Schicht erfolgt ist.
Es kann weiter vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren auf der metallischen Schicht ein Befestigungselement kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig befestigt wird. So kann zum Beispiel eine Hülse für eine Nietverbindung oder eine Mutter mit einem Innengewinde für eine Schraubverbindung auf der metallischen Schicht aufgeschweißt sein. Das Schweißen kann vorzugsweise als Punktschweißverfahren erfolgen. Auch kann jedoch die Schnittstelle selbst ein Loch aufweisen, welches zum Beispiel mit einem Innengewinde versehen ist. In beiden Fällen dient das Befestigungselement als Teil der Befestigungsschnittstelle dazu, die gewünschten bekannten mechanischen Fügeverfahren an der Befestigungsschnittstelle anwenden zu können.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Schritt des Beschichtens zumindest eines Teils der freigelegten Fasern der folgende Schritt durchgeführt wird:

– Versiegeln des Übergangsbereichs zwischen der metallischen Schicht und dem seitlich umgebenden Matrixwerkstoff.

Mit Übergangsbereich ist der Stoß zwischen der metallischen Schicht und dem umgebenden Matrixwerkstoff gemeint. Hier entsteht zumindest ein mikroskopisch kleiner Spalt, durch welchen Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, eindringen kann. Um zu vermeiden, dass es durch das Eindringen von Flüssigkeiten beziehungsweise durch den Kontakt mit anderen Materialien hier zu Kontaktkorrosion, Spaltkorrosion oder anderen Korrosionsarten kommt, kann das Versiegeln eingesetzt werden. Die Versiegelung erfolgt dabei vorzugsweise mit dem Matrixwerkstoff selbst, so dass dort zwischen den beiden Matrixwerkstoffen ein Materialschluss erfolgt. Auch andere Materialien, wie zum Beispiel metallische Versiegelungen oder Tauchlacke, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich denkbar.
Weiter ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die freigelegten Fasern vollständig oder im Wesentlichen vollständig mit der metallischen Schicht beschichtet werden. Damit kann sozusagen eine Art Presspassung in der entstandenen Ausnehmung erzielt werden, wodurch ein anschließendes Versiegeln unterbleiben kann. Dies ist insbesondere bei einer Ausführungsform herzustellen, bei welcher der Matrixwerkstoff erst im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren eingebracht wird.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Bauteil aus Faserverbundmaterial mit Fasern aus Glas und/oder Karbon und mit einem Matrixwerkstoff aus Kunststoffwerkstoff aufweist. Bei der Kunststoffmatrix handelt es sich insbesondere um eine Kunstharzmatrix. Das Verwenden von Karbonfasern und Glasfasern ist von Vorteil, da diese besonders hitzestabil sind. Die Kunstharzmatrix beziehungsweise die Kunststoffmatrix kann bei relativ geringen Temperaturen verdampft werden, wobei gleichzeitig durch die hohe Hitzebeständigkeit von Glas oder Karbon die Fasern nicht beschädigt. Diese Materialkombination ist für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Freilegen zumindest eines Teils der Fasern und das Beschichten zumindest eines Teils der freigelegten Fasern vor dem Herstellen des Matrixwerkstoffes durchgeführt wird. Wie bereits einleitend erwähnt worden ist, kann unter Freilegen der Fasern verstanden werden, dass die Fasern zur Verfügung gestellt werden. Das bedeutet, dass der gesamte Matrixwerkstoff, welcher die Matrix des Faserverbundwerkstoffes bildet, erst nachträglich, also nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, eingebracht und ausgehärtet wird. Dies ermöglicht weitere Verbesserungen des Verfahrens, insbesondere eine besonders knappe Ausführung des Stoßbereiches zwischen der metallischen Schicht und dem umgebenden Matrixmaterial. Auch ist grundsätzlich ein Einbetten möglich, welches nachfolgend näher erläutert wird.
So kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die metallische Schicht der Befestigungsschnittstelle zumindest abschnittsweise bei der Herstellung der Matrix in die Matrix eingebettet wird. Dies verbessert insbesondere die optische Anmutung des Bauteils, da die Befestigungsschnittstelle von Außen nur noch in geringem Maße sichtbar wird. Insbesondere wird dabei vor dem Injizieren des Matrixwerkstoffes auch noch das Befestigungselement an der Befestigungsschnittstelle angebracht, also zum Beispiel eine Schraube aufgeschweißt.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für das Beschichten der freigelegten Fasern zumindest teilweise aus der metallischen Schicht hervorstehende Pins vorgesehen sind, welche beim Beschichten in und/oder um die freigelegten Fasern greifen. Diese Pins sind insbesondere auf eine Metallplatte beziehungsweise metallischen Schicht ausgebildet, welche in oder unter dem freigelegten Faserverbund angeordnet ist. Auf diese Weise können die Pins durch den Faserverbund hindurch ragen, so dass beim Aufbringen der metallischen Schicht von der Oberseite der Fasern her ein Materialschluss zwischen diesen Pins und der metallischen Schicht ausgebildet wird. Für den Fall, dass keine oder eine nicht ausreichende Verbindung mittels Materialschluss zwischen der metallischen Schicht und den Fasern erzeugt wird, kann auf diese Weise sozusagen der Vorschluss durch die Verschmolzenen Pins als Ersatz für die notwendige mechanisch tragfähige Verbindung dienen. Dabei ist es vorteilhaft solche Varianten einzusetzen, wenn die Fasern weniger hitzebeständig sind. So kann zum Beispiel auf einen Laserbeschuss, verzichtet werden. Vorzugsweise kann ein solches Verfahren selbstverständlich auch mit anderen Beschichtungsverfahren kombiniert werden.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil aus Faserverbundmaterial mit Fasern und einem die Fasern umgebenden Matrixwerkstoff, welcher sich dadurch auszeichnet, dass die Fasern zumindest abschnittsweise direkt mit einer metallischen Schicht zur Ausbildung einer Befestigungsschnittstelle versehen sind. Dabei ist das Bauteil vorzugsweise durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt. Beim Bauteil handelt es sich insbesondere um ein Bauteil aus dem Kraftfahrzeugbereich, zum Beispiel die Verkleidung der Karosserie. Dabei ist es möglich, dass vorzugsweise eine Ausnehmung in dem Bauteil erzeugt wird, in welcher sich die metallische Schicht und damit die Befestigungsschnittstelle befinden. Die Befestigungsschnittstelle ist dabei hinsichtlich ihrer Oberfläche im Wesentlichen eben mit der umgebenden Außenseite des Matrixwerkstoffes angeordnet. Aufgrund der Ähnlichkeit zwischen Bauteil und Verfahren bringt ein erfindungsgemäßes Bauteil die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.
Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Die dabei verwendeten Begrifflichkeiten „links”, „rechts”, „oben” und „unten” beziehen sich auf eine Ausrichtung der Zeichnungsfiguren mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen schematisch:
1 einen ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 einen Schritt des Verfahrens nach 1,
3 einen Schritt des Verfahrens nach 2,
4 einen Schritt des Verfahrens nach 3,
5 einen Schritt des Verfahrens nach 4,
6 einen weiteren Schritt einer anderen Ausführungsform des Verfahrens,
7 einen weiteren Schritt einer anderen Ausführungsform des Verfahrens und
8 einen weiteren Schritt des Verfahrens nach 7.
Die 1 bis 5 beschreiben eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens. So wird in einem ersten Schritt ein Bauteil 10 zur Verfügung gestellt, welches aus Faserverbundmaterial hergestellt ist. Dafür weist es einen Matrixwerkstoff 30 auf, in welchen Fasern 20 eingebettet sind. Bei dieser Ausführungsform verlaufen die Fasern 20 im Wesentlichen im 90° Winkel zueinander, so dass in 1 eine Vielzahl von Fasern 20 mit rundem Querschnitt sowie eine Faser 20 im Längsschnitt dargestellt sind.
Um nun ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen zu können, wird in einem ersten Schritt ein Freilegen eines Abschnitts der Fasern 20 erfolgen. Dabei wird, zum Beispiel mit Hilfe der Bestrahlung durch Laser, der Matrixwerkstoff 30 von der Oberseite in 1 verdampft, so dass die Fasern 20 freigelegt werden. Damit ergibt sich ein Freiraum 14 in Form einer Vertiefung oder Ausnehmung im Bauteil 10, siehe 2. Die freigelegten Fasern 20 werden nun mit einem metallischen Werkstoff zu einer metallischen Schicht 40 beschichtet. Das Ende dieses ersten Beschichtungsschrittes ist in 3 dargestellt. Hier konnte ein Formschluss beziehungsweise sogar ein Stoffschluss zwischen den Fasern 20 und der metallischen Schicht 40 erzielt werden, so dass ein idealer Kraftübertragungsweg zwischen der metallischen Schicht 40 und den Fasern 20 entstanden ist.
Um die Befestigungsschnittstelle 50 vollständig fertigzustellen, werden bei dieser Ausführungsform des Verfahrens zwei weitere Beschichtungsschritte durchgeführt. Dabei bilden sich zwei weitere metallische Schichten 40 aus, wodurch sich die gesamte Befestigungsschnittstelle 50 aus drei metallischen Schichten 40 zusammensetzt. Somit kann die Gesamtdicke der metallischen Schicht dahingehend variiert werden, dass die Befestigungsschnittstelle 50 hinsichtlich seiner oberen Ebene im Wesentlichen bündig mit dem umgebenden Matrixwerkstoff 30 ist. An dieser Stelle kann das Verfahren abgebrochen werden, um die Grundzüge der Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens wahrnehmen zu können.
Es ist jedoch auch möglich das Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass gemäß 5 eine Weiterbildung des Bauteils 10 entsteht. Bei dieser 5 wurde zum einen ein Versiegeln durchgeführt. So wurden die Spalte zwischen der Befestigungsschnittstelle 50 und dem umgebenden Matrixmaterial 30 oben abgedeckt mit einem Material, welches gleich oder im Wesentlichen gleich dem Matrixwerkstoff 30 ist. Damit kann eine Korrosion in diesem Spalt mit großer Wahrscheinlichkeit verhindert werden. Alternativ oder zusätzlich wurde bei dieser Ausführungsform ein Befestigungselement 42 vorgesehen, welches bei dieser Ausführungsform eine Mutter mit Innengewinde ist. Diese wurde mit einem Punktschweißverfahren auf der obersten metallischen Schicht 40 der Befestigungsschnittstelle 50 unlösbar angebracht. Die Ausführungsform der 5 kann also in einem bekannten Schraubverfahren in Korrelation mit konventionellen Bauteilen eingesetzt werden und in bekannter Weise gefügt werden.
In 6 ist eine Variante zur 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist die metallische Schicht 40 Pins 44 auf, welche in Zwischenräume zwischen den Fasern 20 hineinragen. Dieser Teil der metallischen Schicht 40 ist unter den Fasern 20 angeordnet, so dass die Pins 44 zwischen den Fasern 20 hindurch nach oben ragen. In den folgenden Schritten können diese Pins auf- oder angeschmolzen werden, wenn weitere metallische Schichten 40, wie zu den 1 bis 5 erläutert, von oben aufgebracht werden.
Die 7 und 8 zeigen eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier werden die Fasern 20 dadurch freigelegt, dass noch kein Matrixwerkstoff 30 eingebracht worden ist. So liegen die Fasern 20 bereits frei vor und die metallische Schicht 40 kann in dem gewünschten Abschnitt aufgebracht werden, so dass sich die Befestigungsschnittstelle 50 ausbildet. Erst anschließend wird der Matrixwerkstoff 30 eingespritzt und härtet aus, so dass sich im Ergebnis ein Bauteil 10 gemäß 8 ausbildet.
Die voranstehende Beschreibung der Ausführungsformen erläutert die vorliegende Erfindung nur in Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
12: Übergangsbereich
14: Freiraum
20: Fasern
30: Matrixwerkstoff
40: metallische Schicht
42: Befestigungselement
44: Pin
50: Befestigungsschnittstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008001468 A1 [0004]

Claims

Verfahren für das Herstellen einer Befestigungsschnittstelle (50) an einem Bauteil (10) aus Faserverbundmaterial mit Fasern (20) und einem die Fasern (20) umgebenden Matrixwerkstoff (30), aufweisend die folgenden Schritte: – Freilegen zumindest eines Abschnittes der Fasern (20) des Bauteils (10), – Erzeugen einer metallischen Schicht (40) durch direktes Beschichten zumindest eines Teils der freigelegten Fasern (20) mit einem metallischen Werkstoff zur Ausbildung der Befestigungsschnittstelle (50).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (20) durch das Entfernen zumindest eines Teils des bestehenden Matrixwerkstoffs (30) des Faserverbundmaterials freigelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Freilegen der Fasern (20) durch Bestrahlung aus einem Laser erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der freigelegten Fasern (20) durch das Aufschmelzen des metallischen Werkstoffs in Form eines metallischen Pulvers erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Beschichtens zumindest eines Teils der freigelegten Fasern (20) mehrfach hintereinander durchgeführt wird, um die Dicke der metallischen Schicht (40) schrittweise zu vergrößern.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der metallischen Schicht (40) ein Befestigungselement (42) kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Beschichtens zumindest eines Teils der freigelegten Fasern (20) der folgende Schritt durchgeführt wird: – Versiegeln des Übergangsbereichs (12) zwischen der metallischen Schicht (40) und des seitlich umgebenden Matrixwerkstoffs (30).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freigelegten Fasern (20) vollständig oder im Wesentlichen vollständig mit der metallischen Schicht (40) beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauteil (10) aus Faserverbundmaterial um Fasern (20) aus Glas und/oder Carbon und bei dem Matrixwerkstoff (30) um eine Kunststoffmatrix, insbesondere um eine Kunstharzmatrix, handelt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Freilegen zumindest eines Teils der Fasern (20) und das Beschichten zumindest eines Teils der freigelegten Fasern (20) vor dem Herstellen des Matrixwerkstoffs (30) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Matrix (30) die metallische Schicht (40) der Befestigungsschnittstelle (50) zumindest abschnittsweise in der Matrix (30) eingebettet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Beschichten der freigelegten Fasern (20) zumindest teilweise aus der metallischen Schicht hervorstehende Pins (44) vorgesehen sind, welche beim Beschichten zwischen und/oder um die freigelegten Fasern (20) greifen.
Bauteil (10) aus Faserverbundmaterial mit Fasern (20) und einem die Fasern (20) umgebenden Matrixwerkstoff (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (20) zumindest abschnittsweise direkt mit einer metallischen Schicht (40) zur Ausbildung einer Befestigungsschnittstelle (50) versehen sind.
Bauteil (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) durch ein Verfahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt ist.