DE102012010424B4

DE102012010424B4 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils und ein mit dem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil

Info

Publication number: DE102012010424B4
Application number: DE102012010424.3A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Beyer Eckhard; Dr. Nowotny Steffen; Frank Brückner; Mirko Riede; Thomas Finaske
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: DE102012010424A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils bei dem ein Faser-Kunststoffverbundbauteil mit mindestens einem Metallteil stoff- und formschlüssig verbunden ist, bei dem die Oberfläche eines Faser-Verbundbauteils zumindest bereichsweise mit energiereicher Strahlung bestrahlt wird, so dass organische Komponenten des Kunststoffs entfernt und dadurch Fasern (1.1) freigelegt werden; anschließend wird ein Metall oder eine Metalllegierung bis oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt, so dass der vorab freigelegte Bereich mit dem flüssigen Metall ausgefüllt und dabei die freigelegten Fasern (1.1) in die Metallmatrix eingebettet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils und ein mit dem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil. Dabei ist ein Faser-Kunststoffverbundbauteil mit mindestens einem Metallteil stoff- und formschlüssig verbunden.
Um der Forderung nach energieeffizienter sowie nachhaltiger Mobilität gerecht zu werden, integrieren Unternehmen der Automobil- und Luftfahrtbranche verstärkt Leichtbauwerkstoffe in ihre Produkte. So werden leichte Faserverbundwerkstoffe verstärkt u. a. in Karosserie-, Gehäuse- oder Antriebskomponenten eingesetzt, deren Einbindung in das Fahrzeuggesamtkonzept aber wegen stark abweichender Eigenschaften im Vergleich zu den vorrangig verwendeten Metallen sehr schwierig ist. Die anwendungsspezifische Kombination von Leichtbaumaterialien mit Metallen wird daher seit vielen Jahren vor allem in der Automobil- und Luftfahrtindustrie angestrebt.
Neben den Klebeverfahren basiert die Mehrzahl der gegenwärtig verwendeten Fügetechniken auf Form- und/oder Kraftschluss unter Verwendung von Verbindungselementen, wie Niete, Bolzen, Schrauben oder sogenannte Ballhead Pins. Nachteilig ist es dabei, dass eine Überlappung der Fügepartner notwendig ist, der Verbund in einem mehrstufigen Prozess erfolgt und bisher kein stoffschlüssiges Fügen, in Verbindung mit anderen Fügearten möglich ist. Nichtüberlappende Verbunde, wie Stumpf- oder T-Stöße sind somit kaum umsetzbar, oftmals aber aus konstruktionsgerechten und ästhetischen Gründen erforderlich.
Bei diesen mechanischen Verbindungen ist eine Schädigung des Faserverbundwerkstoffs nicht auszuschließen, da dazu Bohrungen ausgebildet werden müssen, in die oder durch die mechanisch wirkende Verbindungselemente ein- oder hindurchgeführt werden. Insbesondere bei dynamischen Belastungen treten Probleme auf, die die Festigkeit und Lebensdauer nachteilig beeinflussen.
Problematisch ist auch die Befestigung von Funktionselementen, die ebenfalls mittels mechanischen Verbindungstechniken, wie beschrieben oder durch Kleben stoffschlüssig an Faserverbundbauteilen befestigt werden können.
Dabei sind eine mangelhafte Haftfestigkeit und Beanspruchbarkeit, eine starke Schädigung des Substrates der Verbundbauteile, eine zeit- und kostenintensive Herstellung durch mehrstufige Verfahrensschritte, die Sichtbarkeit der Verbindungsstellen und die Beschränkung ausschließlich auf kleine Verbindungsbereiche (keine großflächigen Metall-Faserverbund-Bereiche, z. B. für Blitzschutz oder Verstärkungselemente) nachteilig.
So ist in DE 20 2004 013 252 U1 ein Gelenklager beschrieben, bei dem ein Außenring von einer Umhausung umschlossen ist, die aus Fasern oder einem Faserverbundwerkstoff gewickelt ist.
In Nanomics, Inc.: Laser Cladding Modeling and Operation Applied to Plasma Facing Components, Austin TX, USA, 2011 sind Werkstoffe beschrieben, die mitPlasma in Kontakt stehen unddabei Werkstoffe miteinander verbunden sind.
Erläuterungen zu so genannten functionally graded Materials (FGM's), die als Kompositwerkstoffe vorliegen, sind mit ihren Eigenschaften und Problemen von V. Birman und L. W. Byrd in „Modeling and Analysis of functionally graded Materials and Structures”; Appl. Mech. Rev., 60, 2007, S. 195–215 gemacht worden.
Vom Faserinstitut Bremen e. V. „Schwarz-Silber: Bauweisen für CFK-Aluminium-Übergangsstrukturen im Leichtbau, Projektbeschreibung; Bremen, 12/2011 sind Möglichkeiten für die Herstellung stoffschlüssiger Fügeverbindungen von Aluminium an CFK-Strukturen aufgezeigt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Verbundbauteile zur Verfügung zu stellen, die die Vorteile von Faser-Verbundbauteilen in Verbindung mit Metallteilen ausnutzen können, wobei die Verbindung mit erhöhter Festigkeit und Flexibilität erreichbar ist und die Möglichkeit zu einer kostengünstigen einfachen Herstellung gegeben ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Das mit dem Verfahren hergestellte Verbundbauteil ist mit dem Anspruch 8 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreichbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verbundbauteil ist ein Faser-Kunststoffverbundbauteil mit mindestens einem Metallteil stoff- und formschlüssig miteinander verbunden. Dabei sind vorab vom Kunststofffreigelegte Fasern des Faser-Kunststoffverbundteils in einer Metallmatrix eingebettet. Das Metall reicht bis an die Oberfläche des Verbundbauteils.
Das Faser-Verbundbauteil und das eine oder mehrere Metallteil(e) können an vorgebbaren Positionen miteinander verbunden sein. Dabei kann jeweils eine an die Anwendung angepasste Dimensionierung und Geometrie von Metallteilen gewählt werden.
Vorteilhaft sollte mindestens eine Lage/Schicht von Fasern so freigelegt worden sein, dass diese in die Metallmatrix eingebettet ist und dementsprechend diese Fasern vom Metall umschlossen sind.
Als Fasern können Glasfasern, polymere Fasern, keramische Fasern und/oder Kohlenstofffasern eingesetzt werden, wobei Kohlenstofffasern bevorzugt sind.
Zur Verbesserung der Eigenschaften kann sich die Legierungszusammensetzung eines Metallteiles ausgehend von dem Bereich, der die die Fasern einbettenden Metallmatrix bildet in Richtung der Oberfläche des Faser-Verbundbauteils und darüber hinaus, zu einer Legierung mit höherer Schmelztemperatur verändern. Dadurch können bei der Herstellung der eigentlichen stoff- und formschlüssigen Verbindung kleinere Temperaturen eingehalten werden, da dabei das Metall oder die eingesetzte Metalllegierung bis oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt werden muss, so dass das Metall oder die eingesetzte Metalllegierung ausreichend schmelzflüssig ist und die Freiräume zwischen vorab freigelegten Fasern ausgefüllt werden können.
Insbesondere Bereiche eines Metallteils, die über die Oberfläche des Faser-Verbundbauteils überstehen, können aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit höherer Schmelztemperatur bestehen. Dabei kann die Legierungszusammensetzung kontinuierlich oder stufenweise verändert werden.
Im einfachsten Fall, kann ein Metallteil, das mit einem Faserverbundbauteil erfindungsgemäß verbunden ist, die Funktion eines metallischen Dübels erfüllen.
Besonders vorteilhaft kann ein Metallteil, das über die Oberfläche des Faser-Verbundbauteils übersteht, im überstehenden Bereich ein Funktionselement ausbilden. Ein Metallteil kann aber auch ein elektrisch leitendes Element an der Oberfläche des Faser-Verbundbauteils bilden. Dies ist bei möglicher elektrostatischer Aufladung oder gegenüber Blitzschlägen günstig.
Funktionselemente können beispielsweise Griffelemente, Ösen, Haken, Scharniere, Verstärkungselemente, Riegel, Bolzen, Panzerungselemente oder Blitzschutzelemente sein.
Der Werkstoff des Metallteils sollte zumindest im Bereich, in dem die Fasern mit der Metallmatrix eingebettet sind, eine Schmelztemperatur von maximal 750°C, bevorzugt maximal 500°C aufweisen.
Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils soll so vorgegangen werden, dass die Oberfläche eines Faser-Verbundbauteils zumindest bereichsweise mit energiereicher Strahlung, bevorzugt mit Laserstrahlung bestrahlt wird, so dass organische Komponenten des Kunststoffs entfernt und dadurch Fasern freigelegt und werden. Anschließend wird ein Metall oder eine Metalllegierung bis oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt, so dass der vorab freigelegte Bereich mit dem flüssigen Metall ausgefüllt und dabei die freigelegten Fasern in die Metallmatrix eingebettet werden.
Dabei soll zumindest bis zum Erstarren der Metallschmelze unter Vakuumbedingungen oder in einer inerten Schutzgasatmosphäre gearbeitet werden, um eine Oxidation von beispielsweise Kohlenstofffasern zu vermeiden. Dabei kann ein Schutzgas um den frei gelegten Bereich oder den Bereich in dem die Metallschmelze ausgebildet ist, zugeführt werden, wie dies auch beim Schutzgasschweißen üblich ist.
Auch zum Aufschmelzen des Metalls oder der Metalllegierung kann die energiereiche Strahlung eingesetzt werden.
Es kann bevorzugt pulverförmiges Metall oder mindestens eine pulverförmige Metalllegierung eingesetzt werden. Außerdem ist der Einsatz einer Metall enthaltenden Paste oder eines Metalldrahtes möglich.
Günstigerweise kann ausgehend vom die Metallmatrix bildenden Bereich des Metallteils, in dem Fasern eingebettet sind, ein Metall oder eine Metalllegierung eingesetzt werden, das/die eine sich stufenweise oder kontinuierlich erhöhende Schmelztemperatur aufweist.
Beim Aufschmelzen kann mit einer Technologie gearbeitet werden, wie sie aus dem Bereich des Pulverauftragsschweißens bekannt ist.
Ausgehend von der Oberfläche des Faser-Verbundbauteils kann ein metallisches Funktionselement ausgebildet werden. Auch hier kann eine Technik eingesetzt werden, wie sie auch beim Pulverauftragsschweißen genutzt wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dort ein Funktionselement mit dem Metall stoffschlüssig zu verbinden. Dies kann durch Löten oder Schweißen erreicht werden.
Funktionselemente können aber auch form- und kraftschlüssig mit einem Metallteil verbunden werden. Dafür kann ein herkömmliches Verbindungselement genutzt werden, das mit einem Metallteil gebildet oder daran befestigt ist. Ein Metallteil kann beispielsweise in Form eines über die Oberfläche hinausragenden Niets ausgebildet sein. Es kann aber auch in Form einer Schraube ausgebildet oder eine Schraube in das Metallteil eingeschraubt sein.
Mit einem Metallteil kann zumindest ein Bereich der Oberfläche des Faser-Verbundbauteils in Form einer Schicht überdeckt worden oder zumindest ein Bereich der Oberfläche des Verbundbauteils mit dem Metallteil gebildet worden sein. Dies kann für eine elektrisch leitende Verbindung, die Ableitung elektrischer Ströme nach elektrostatischer Aufladung bzw. bei Blitzschlag oder dekorative Zwecke genutzt werden.
Für die Ausbildung eines Metallteils kann ein Metall oder eine Metalllegierung eingesetzt werden, das/die ausgewählt ist aus Aluminium, Eisen, Titan, Nickel, Zinn, Zink, Cobalt und Magnesium. Bevorzugt sind dabei eutektische Metalllegierungen mit kleiner Schmelztemperatur.
Mit dem für ein Metallteil und/oder ein Funktionselement eingesetzten metallischen Werkstoff lassen sich die Eigenschaften an die jeweilige Anwendung anpassen. Vorteilhaft können somit die Langlebigkeit der Verbindung durch die stoff- und formschlüssige Integration des metallischen Werkstoffes im Faserverbund (Tiefenwirkung Faserlagen), eine Integration von Funktionselementen ohne Beeinträchtigung des Sichtbereiches, die Möglichkeit auch großflächige Verbindungen herzustellen, wie sie u. a. für den Blitzschutz benötigt werden, erreicht werden. Die Erfindung hat Potential zur ressourcenschonenden Serienfertigung, da nur ein einziger Prozess für das Generieren eines Metallteils ggf. mit einem Funktionselement und die Verbindung zum Faser-Verbund verbessert werden können. Es können kurze Fertigungszeiten sowie -kosten, verbunden mit einem effizienten Material- und Werkzeugeinsatz, erreicht werden.
Gegenüber einer stoffschlüssigen Klebverbindung kann durch den mit der Erfindung erreichbaren hochfesten Stoff- und Formschluss eine deutlich gesteigerte Festigkeit durch die erreichbare Tiefenwirkung erreicht werden.
Ein effizienter Metall-Faser-Verbund kann durch einen einstufigen Laserprozess, der sich aufgrund des industriellen Reifegrades der verwendeten Basistechnologie und der erforderlichen Laser-Systemtechnik leicht in Fertigungsabläufe integrieren lässt, ausgebildet werden. Es ist eine hohe Präzision und gute Automatisierbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens möglich. Außerdem können ein großes Spektrum kombinierbarer metallischer Werkstoffe zur Gradientenerzeugung sowie eine hohe Geometriefreiheit, zum Realisieren der von den Konstrukteuren und Designern vorgegebenen funktionalen und gestalterischen Strukturen realisiert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei können verschiedene Merkmale der einzelnen Beispiele unabhängig voneinander bei der Erfindung miteinander kombiniert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Verbundbauteil mit stoffschlüssiger Klebverbindung und ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils und
2 in schematischer Form den Aufbau eines form- und stoffschlüssig mit einem Kohlenstofffaser-Verbundbauteil verbundenen Metallteils, das aus mehreren unterschiedlichen Metalllegierungen in gradierter Form gebildet ist.
Die 1 zeigt zwei Verbundbauteile. Dies ist einmal ein Herkömmliches (li. Darstellung), bei dem ein Metallteil 2 mit einem Kleber 3 an der Oberfläche eines Kohlenstofffaser-Verbundbauteils 1 stoffschlüssig befestigt ist.
Diese Verbindung ist gegenüber Feuchtigkeit, Temperatur, Scherbeanspruchung und chemische Reaktionen anfällig. Außerdem ist die erreichbare Haftfestigkeit, insbesondere über die Lebensdauer begrenzt. Auch eine elektrische Leitfähigkeit kann nur mit begrenzter Wirkung, bei Einsatz eines elektrisch leitenden Klebers erreicht werden, was die Haftfestigkeit weiter begrenzt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verbundbauteil, wie es in der rechten Darstellung von 1 gezeigt ist, können diese Nachteile vermieden werden.
So wurden mit einem Laserstrahl ausgehend von einer Oberfläche des Kohlenstofffaser-Verbundbauteils 1 die polymeren Werkstoffanteile eines Bereichs entfernt. Dabei wurden bei diesem Beispiel sechs Lagen von Kohlenstofffasern 1.1 frei gelegt. Dieser Freiraum wurde durch aufgeschmolzenes Metall ausgefüllt, so dass die Kohlenstofffasern 1.1 in der Metallmatrix eingebettet werden konnten und das Metallteil 2 ausgebildet wurde, das über die Oberfläche des Kohlenstofffaser-Verbundbauteils 1 hinaus ragt.
Bei diesem Beispiel wurde mit folgenden Parametern gearbeitet und es wurden folgende Werkstoffe eingesetzt:
Es wurde ein Kohlenstofffaser-Verbundbauteil als Halbzeug eingesetzt, das unter der Handelsbezeichnung UD4TF2 erhältlich ist und bei dem ein duroplastischer Kunststoff eingesetzt ist. Die Kohlenstofffasern 1.1 waren unidirektional in mindestens sechs übereinander angeordneten Lagen im Kunststoff eingebettet.
Zum Freilegen und Schmelzen wurde ein Nd:YAG-Laser, der elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge von 1064 nm emittierte, eingesetzt. Die Laserstrahlung wurde mittels einer Lichtleitfaser auf die Oberfläche gerichtet. Dabei wurde mit einer Leistung von 500 W des Lasers gearbeitet. Die Vorschubgeschwindigkeit betrug 700 mm/min.
Als Metall wurde die pulverförmige Metalllegierung AlMg5 eingesetzt. Die Zufuhr des Pulvers erfolgte mit 15 g/min.
Der Bearbeitungsbereich wurde mit Helium als inertes Schutzgas umströmt. Dabei wurde ein Volumenstrom des Schutzgases von 5 l/min eingehalten.
Dabei wurde eine Lage Kohlenstofffasern 1.1, durch den Abtrag des Kunststoffes im bestrahlten Bereich frei gelegt. Der Freiraum wurde mit der aufgeschmolzenen Metalllegierung ausgefüllt, so dass die Kohlenstofffasern 1.1 im vorher freigelegten Bereich, nunmehr in der Metalllegierung eingebettet worden sind und der Freiraum mit der Metalllegierung ausgefüllt war.
Mit der 2 soll verdeutlicht werden, dass die Zusammensetzung des Werkstoffs, mit dem ein Metallteil 2 ausgebildet werden kann, stufenweise verändert werden kann, so dass ein gradierter Aufbau mit unterschiedlichen Eigenschaften erreichbar ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils bei dem ein Faser-Kunststoffverbundbauteil mit mindestens einem Metallteil stoff- und formschlüssig verbunden ist, bei dem die Oberfläche eines Faser-Verbundbauteils zumindest bereichsweise mit energiereicher Strahlung bestrahlt wird, so dass organische Komponenten des Kunststoffs entfernt und dadurch Fasern (1.1) freigelegt werden; anschließend wird ein Metall oder eine Metalllegierung bis oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt, so dass der vorab freigelegte Bereich mit dem flüssigen Metall ausgefüllt und dabei die freigelegten Fasern (1.1) in die Metallmatrix eingebettet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bis zum Erstarren der Metallschmelze unter Vakuumbedingungen oder in einer inerten Schutzgasatmosphäre gearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass pulverförmiges Metall, mindestens eine pulverförmige Metalllegierung, eine Metall enthaltende Paste oder ein Metalldraht eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend vom die Metallmatrix bildenden Bereich des Metallteils (2), in dem Fasern (1.1) eingebettet sind, ein Metall oder eine Metalllegierung eingesetzt wird, das/die eine sich stufenweise oder kontinuierlich erhöhende Schmelztemperatur aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Oberfläche des Faser-Verbundbauteils (1) ein metallisches Funktionselement ausgebildet oder dort mit dem Metall stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Metallteil (2) zumindest ein Bereich der Oberfläche des Faser-Verbundbauteils (1) in Form einer Schicht überdeckt wird oder zumindest ein Bereich der Oberfläche des Verbundbauteils mit dem Metallteil (2) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausbildung eines Metallteils (2) ein Metall oder eine Metalllegierung eingesetzt wird, das/die ausgewählt ist aus Aluminium, Eisen, Titan, Nickel, Cobalt, Zinn, Zink und Magnesium.
Verbundbauteil, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Faser-Kunststoffverbundbauteil mit mindestens einem Metallteil stoff- und formschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (1.1) des Faser-Kunststoffverbundteils (1) in einer Metallmatrix eingebettet sind und das Metall bis an die Oberfläche des Verbundbauteils reicht.
Verbundbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Verbundbauteil (1) und das eine oder mehrere Metallteil(e) (2) miteinander verbunden ist/sind.
Verbundbauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Legierungszusammensetzung eines Metallteiles (2) ausgehend von dem Bereich, der die die Fasern einbettende Metallmatrix bildet in Richtung der Oberfläche des Faser-Verbundbauteils (1) und darüber hinaus, zu einer Legierung mit höherer Schmelztemperatur verändert.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es mit Glasfasern, polymeren Fasern, keramischen Fasern und/oder mit Kohlenstofffasern gebildet ist.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallteil (2) über die Oberfläche des Faser-Verbundbauteils (1) übersteht und im überstehenden Bereich ein Funktionselement ausgebildet ist und/oder ein Metallteil (2) ein elektrisch leitendes Element an der Oberfläche des Faser-Verbundbauteils (1) bildet.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das der Werkstoff des Metallteils (2) zumindest im Bereich, in dem die Kohlenstofffasern mit der Metallmatrix eingebettet sind, eine Schmelztemperatur von maximal 750°C aufweist.