DE102013107849A1

DE102013107849A1 - Faserverbundstruktur und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102013107849A1
Application number: DE102013107849.4A
Authority: DE
Inventors: Dirk Holzhüter; Thomas Löbel; Christian Hühne; Markus Kühn
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: DE102013107849B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Faserverbundstruktur aus mindestens zwei Bauelementen, die an einer Fügestelle durch eine Klebeverbindung stoffschlüssig zusammengefügt werden, wobei zwei Klebstoffsysteme eingebracht werden, wobei das eine Klebstoffsystem lasttragend ist und das andere Klebstoffsystem eine hohe Bruchzähigkeit aufweist, um einen Rissfortschritt in definierten Bereichen aufhalten zu können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Faserverbundstruktur aus mindestens zwei getrennten Faserverbund-Bauelementen, die an einer Fügestelle durch eine Klebverbindung stofflich zusammengefügt werden, sowie eine entsprechende Faserverbundstruktur hierzu.
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff, sogenannte Faserverbundbauteile, sind aus der Luft- und Raumfahrt heute nicht mehr wegzudenken. Aber auch im Automobilbereich sowie bei der Herstellung von Sportgeräten findet die Verwendung derartiger Werkstoffe immer mehr Zuspruch. Insbesondere kritische Strukturelemente werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Durch die aus der Faserorientierung resultierenden anisotropen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe können Bauteile exakt an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
Um das Leichtbaupotential derartiger Faserverbundmaterialien effektiv nutzen zu können, kommt der Verbindungstechnik eine Schlüsselrolle zu. Derzeit verwendete Auslegungskriterien und Standards bedingen das Einbringen einer Vielzahl von Bolzenelementen und lokalen Materialaufdickungen im Verbindungsbereich, so dass aus Gewichts- und Kostenaspekten derartige Verbindungsstellen für dünnwandige Faserverbundstrukturen nachteilig sind. Klebeverbindungen sind diesbezüglich konventionellen Bolzenverbindungen überlegen, können jedoch aufgrund der Zulassungsbeschränkungen nur im begrenzten Maße in der Luftfahrt eingesetzt werden.
Das Fügen zweier Faserverbund-Bauelemente mittels einer Klebverbindung birgt zum Teil Einflussparameter, deren Auswirkungen auf die Festigkeit der Verbindung schlecht quantifizierbar sind. Demzufolge sind Klebeverbindungen für Faserverbundstrukturen nur dann zulässig, wenn die Flugsicherheit nicht von der Verbindung abhängt. Diese Tatsache schränkt das Einsatzfeld des strukturellen Klebens für Flugzeugstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen im erheblichen Maße ein.
Da es bis zum jetzigen Zeitpunkt keine zerstörungsfreien Prüfverfahren gibt, um eine mangelhafte Klebung zuverlässig zu detektieren, gibt es Bestrebungen, der Rissbildung von Klebverbindungen entgegenzuwirken. So ist beispielsweise aus der Dissertation von C. Bartel: „Numerische und experimentelle Untersuchung an Klebverbindungen mit gradierter Klebschicht" (ISBN 978-3-8322-6112-2, Schriftreihe des Instituts für Werkstofftechnik Kassel, April 2007) eine sogenannte Gradientenklebung bekannt, bei der im Randbereich der Klebeverbindung ein duktiler Klebstoff vorgesehen ist, der eine hohe Bruchdehnung aufweist, während im übrigen Bereich ein konventioneller Klebstoff verwendet wird, der vergleichsweise spröde und steif und somit lasttragend ist. Durch eine derartige Gradientenklebung soll erreicht werden, dass die meist in den Randbereichen der Klebverbindung entstehenden Lastspitzen durch eine duktile Klebstoffschicht abgefangen werden, so dass einer Rissbildung innerhalb der Klebverbindung von vorneherein entgegengewirkt wird. Hat sich jedoch ein Riss in der Klebverbindung erst einmal gebildet, so kann er sich innerhalb der Klebverbindung ungehindert ausbreiten.
Aus Pingkarawat, K. et al.; Self-healing of delamination cracks in mendable epoxy matrix laminates using poly[ethylene-co-(methacrylic acid)]thermoplastic, Composites Part: A, 2012 ist eine Methode zur Hemmung einer Rissausbreitung innerhalb einer Klebverbindung bekannt, bei der zellenartige Partikel bestehend aus flüssigem Kern und spröder dünner Schale (sogenannte Core-Shell-Elemente) in die Klebung eingebracht werden. Trifft ein sich ausbreitender Riss auf ein solches Element, so geht selbiges zu Bruch und setzt damit das flüssige Harz aus dem Inneren des zellenartigen Partikels frei, welches daraufhin den Riss verschließen soll. Allerdings kann auch mit dieser Art des sich selbst heilenden Risses innerhalb einer Klebverbindung nicht 100%ig sichergestellt werden, dass ein sich ausbreitender Riss innerhalb einer Klebverbindung aufgehalten werden kann. Daher führt auch ein mit einem solchen Verfahren hergestellte Klebverbindung bis zum heutigen Zeitpunkt nicht zu einer Zulassung beispielsweise im Bereich der Luftfahrt.
Des Weiteren sind Bolzenverbindungen oder Stiftverbindung im Bereich des Zusammenfügens von Faserverbundbauteilen bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2008 039 223 B3 . Hierbei werden zwei Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff überlappend angeordnet und mittels einer Heftklammer, deren Beine durch beide Faserverbundbauteile hindurchgehen, zusammengesetzt. Derartige Bolzen- bzw. Stiftverbindungen bringen jedoch einige Nachteile mit sich, die beispielsweise Materialschwächungen aufgrund von Bohrungen, Spannungsüberhöhungen am Bohrungsrand sowie meist die Notwendigkeit von lokalen Materialaufdickungen aufgrund geringer Lochleibungsfestigkeit. In Verbindung mit einer zusätzlichen Klebschicht werden auch Bolzen lediglich zu einem redundanten Aufbau von Lastfaden genutzt, was im Hinblick auf die vorteilhaften Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen insbesondere im Bereich des Leichtbaus als negativ angesehen wird.
Nach den Rahmenbedingungen der Flugsicherheitsbehörden EASA und FAA stellt eine zuverlässige Technologie, welche die Risslänge innerhalb einer Klebverbindung auf ein Maß begrenzt, dass die Festigkeit der Klebverbindung mit Blick auf die vorgegebenen Sicherheitsparameter gewährleistet, einen legitimen Weg dar, um die Zulassungsfähigkeit für Klebverbindungen in der Luftfahrt, insbesondere im Flugzeugbau, zu erreichen. Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Faserverbundstruktur aus zwei getrennten Bauelementen, die miteinander verklebt werden, sowie eine Faserverbundstruktur hierzu anzugeben, mit dem ein sich ausbreitender Riss innerhalb einer Klebverbindung zweier miteinander verklebter Faserverbund-Bauelemente definiert begrenzt werden kann, so dass die gesamte Klebverbindung weiterhin die vorgegebene oder benötigte Festigkeit erreicht. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem zwei getrennte Faserverbund-Bauelemente so mittels einer Klebverbindung zusammengefügt werden können, dass ein sich ausbreitender Riss innerhalb der Klebverbindung definiert begrenzt werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie mit der Faserverbundstruktur gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Faserverbundstruktur aus mindestens zwei getrennten Faserverbund-Bauelementen, die an ihren Fügestellen durch eine Klebverbindung stoffschlüssig zusammengefügt werden, angegeben, wobei erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, dass in den Bereich der Fügestelle ein erstes Klebstoffsystem und ein von dem ersten Klebstoffsystem verschiedenes zweites Klebstoffsystem eingebracht wird. Die Fügestelle der zusammengefügten Faserverbundstruktur weist somit mindestens zwei verschiedene Klebstoffsysteme auf.
Um nun die Rissausbreitung innerhalb der Klebverbindung, d.h. innerhalb der gesamten Fügestelle zu begrenzen, wird erfindungsgemäß eine Mehrzahl von separaten Klebstoffzonen mit dem ersten Klebstoffsystem gebildet, wobei jede separate Klebstoffzone von ihrer jeweils benachbarten Klebstoffzone stofflich getrennt ist. Hierfür wird zwischen den Klebstoffzonen mit dem ersten Klebstoffsystem jeweils das zweite Klebstoffsystem angeordnet, sodass die jeweiligen Klebstoffzonen mit dem ersten Klebstoffsystem stofflich durch das zweite Klebstoffsystem voneinander abgegrenzt werden.
Anschließend werden die beiden Klebstoffsysteme zur Bildung der Klebverbindung zum stoffschlüssigen Zusammenfügen der mindestens zwei getrennten Faserverbund-Bauelemente verfestigt, beispielsweise durch Aushärten der Klebstoffsysteme, so dass sich eine stabile Klebverbindung ergibt. Erfindungsgemäß weist dabei das zweite Klebstoffsystem im verfestigten Zustand eine gegenüber dem ersten Klebstoffsystem höhere Bruchzähigkeit auf, so dass ein sich ausbildender Riss in der verfestigten Klebverbindung sich immer nur innerhalb seiner jeweiligen Klebstoffzone ausbreiten kann. Aufgrund der höheren Bruchzähigkeit wird ein sich in dem ersten Klebstoffsystem ausbreitender Riss spätestens an der Grenze zu einer benachbarten Klebstoffzone gestoppt. Denn die Erfinder haben erkannt, dass aufgrund der erhöhten Bruchzähigkeit des zweiten Klebstoffsystems, welches die Klebstoffzonen des ersten Klebstoffsystems voneinander trennt, ein sich in dem ersten Klebstoffsystem ausbreitender Riss unter normalen Belastungen nicht durch das zweite Klebstoffsystem aufgrund der höheren Bruchzähigkeit ungehindert ausbreiten kann.
Aufgrund der Tatsache, dass das erste Klebstoffsystem aufgrund seiner höheren Steifigkeit und somit geringen Bruchzähigkeit lasttragend für die Klebstoffverbindung ist, ist ein sich in dem ersten Klebstoffsystem ausbreitender Riss für die Festigkeit der Klebverbindung relevant. Durch die Anordnung des zweiten Klebstoffsystems zur Abgrenzung der jeweiligen Klebstoffzonen des lasttragenden ersten Klebstoffsystems kann sich ein Riss nur innerhalb seiner Klebstoffzone ausbreiten, wobei durch die hohe Bruchzähigkeit des zweiten Klebstoffsystems eine Ausbreitung auf andere Klebstoffzonen verhindert wird.
Hierfür haben die Erfinder überraschenderweise festgestellt, dass ein sich ausbreitender Riss in einer Klebverbindung eines Klebstoffes, der eine niedrige Bruchzähigkeit und somit eine hohe Steifigkeit aufweist und in der Regel das lasttragende Element darstellt, an der Grenzschicht zu einem Klebstoffsystem, das eine höhere Bruchzähigkeit aufweist und somit eine höhere Duktilität hat, unter den vorgegebenen Belastungsparametern in seiner Ausbreitung behindert oder gestoppt werden kann. Die scharfkantige stoffliche Trennung und die damit verbundene Änderung der Eigenschaften zwischen dem Klebstoffsystem mit niedriger Bruchzähigkeit und dem Klebstoffsystem mit höherer Bruchzähigkeit behindert oder stoppt eine Ausbreitung des Risses.
Tritt nun ein lokaler Riss in einer Klebstoffzone des lasttragenden ersten Klebstoffsystems auf, so wird demnach maximal genau dieser Bereich ausfallen, da ein Wachstum des Risses in andere Klebstoffzonen und somit in andere lasttragende Zonen durch das Vorhandensein des zweiten Klebstoffsystems zwischen den einzelnen Klebstoffzonen behindert. Wird die Überlappungslänge der Klebung und somit die Fügestelle so dimensioniert, dass bei Ausfall eines der Klebstoffzonen die Übertragbarkeit der Betriebslast der Klebverbindung nicht beeinträchtigt wird, wirkt sich dies beispielsweise positiv auf die Zulassbarkeit der Klebverbindung für Flugzeugprimärstrukturen aus.
Unter der Fügestelle im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei der Bereich der Faserverbundstruktur verstanden, in der die Klebverbindung die beiden Faserverbund-Bauelemente stoffschlüssig zusammenfügt. Die Fügestelle meint somit die Grenzschicht zwischen dem ersten Bauelement und der Klebverbindung, die Klebverbindung sowie die Grenzschicht zwischen der Klebverbindung und dem zweiten Bauelement.
Unter einem Klebstoffsystem wird dabei jede Form eines Klebstoffes verstanden, der zwei Bauelemente miteinander stoffschlüssig zusammenfügt.
Die Bruchzähigkeit (oder auch Risszähigkeit genannt) ist dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung der Widerstand eines Materials gegen instabilen Rissfortschritt. Der sogenannte Spannungsintensitätsfaktor ist dabei derjenige Werkstoffkennwert, bei dem ein instabiler Rissfortschritt einsetzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein erstes Klebstoffsystem und ein zweites Klebstoffsystem zur Durchführung des Verfahrens verwendet, bei denen im verfestigten Zustand das erste Klebstoffsystem eine gegenüber dem zweiten Klebstoffsystem höhere Steifigkeit aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass das erste Klebstoffsystem zur lasttragenden Klebstoffverbindung wird und somit für die Festigkeit und Steifigkeit der Klebverbindung verantwortlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das erste Klebstoffsystem derart in den Bereich der Fügestelle eingebracht, dass streifenförmige und/oder kachelförmige Klebstoffzonen ausgebildet werden. Bei kachelförmigen Klebstoffzonen kann ein sich ausbreitender Riss in jede Richtung vollständig begrenzt werden. Bei streifenförmigen Klebstoffzonen wird zwar in Kauf genommen, dass ein gesamter Streifen über die gesamte Bauteilbreite ausfallen kann. Allerdings ist hierfür der Aufwand im Fertigungsverfahren geringer, so dass je nach Ausgestaltung der Breite der Klebstoffzonen zumindest ein Ausfall eines Streifens tolerierbar ist.
Bei streifenförmigen Klebstoffzonen ist es darüber hinaus ganz besonders vorteilhaft, wenn die streifenförmigen Klebstoffzonen hinsichtlich ihrer länglichen Ausdehnung orthogonal zu einer vorgegebenen Belastungsrichtung der Fügestellen angeordnet werden, da sich ausbreitende Risse die Tendenz aufweisen, sich in Belastungsrichtung fortzupflanzen. Hier würde dann das zweite Klebstoffsystem eine entsprechende Rissausbreitung in dem gesamten Streifen verhindert.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn das erste Klebstoffsystem einen höheren Materialanteil an der Klebverbindung hat als das zweite Klebstoffsystem. Aufgrund der niedrigeren Bruchzähigkeit des ersten Klebstoffsystems gegenüber dem zweiten Klebstoffsystem ist das erste Klebstoffsystem im Wesentlichen dazu vorgesehen, die auftretenden Belastungen an der Klebverbindung zu tragen, während das zweite Klebstoffsystem im Wesentlichen dazu vorgesehen ist, eine Rissausbreitung zu begrenzen. Daher sollte das erste Klebstoffsystem einen höheren Materialanteil an der gesamten Klebverbindung aufweisen. Mit dem Materialanteil ist der Masseanteil oder auch der Volumenanteil gemeint.
Alternativ oder zusätzlich dazu ist es weiterhin zweckmäßig, wenn die Grenzschicht zwischen dem ersten Klebstoffsystem und den Faserverbund-Bauelementen eine größere Fläche (einen größeren Flächenanteil an der gesamten Klebverbindung) aufweist, als die Grenzschicht zwischen dem zweiten Klebstoffsystem und den Faserverbund-Bauelementen. Auch hierdurch wird erreicht, dass durch die Größe der Grenzfläche zwischen dem ersten Klebstoffsystem und den Bauelementen eine entsprechende Haftungsfläche entsteht, an der die Bauelemente durch die Klebverbindung lasttragend zusammengefügt werden, so dass die entsprechenden Belastungen abgetragen werden können.
So hat es sich beispielsweise als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Fläche (der Flächenanteil) des ersten Klebstoffsystems um Faktor 3 oder mehr größer ist als die Fläche (der Flächenanteil) des zweiten Klebstoffsystems. Die Ausdehnung der gesamten Klebverbindung kann so auf ein vernünftiges Maß gehalten werden.
Des Weiteren hat es sich als überaus vorteilhaft herausgestellt, wenn beim Zusammenfügen mittels einer Klebverbindung zweier Faserverbund-Bauelemente das erste Klebstoffsystem ein Reaktionsharzsystem ist, beispielsweise ein Epoxidharzsystem (Duroplast), und das zweite Klebstoffsystem ein thermoplastisches Material enthält, beispielsweise ein Fluorpolymer/ PVDF. Zum einen hat sich herausgestellt, dass durch das Reaktionsharzsystem eine stabile und feste Klebverbindung der beiden Faserverbund-Bauelemente erreicht werden kann, während das zweite Klebstoffsystem mit einem thermoplastischen Material eine gegenüber dem Epoxidharz höhere Bruchzähigkeit hat, so dass sich ausbreitende Risse in dem Epoxidharz bzw. dem Reaktionsharzsystem im allgemeinen an der Grenze der jeweiligen Klebstoffzone begrenzt werden können. Dabei haben die Erfinder im Übrigen erkannt, dass sich Klebstoffsysteme mit einem thermoplastischen Material besonders gut für den vorliegenden Herstellungsprozess der Klebverbindung mit einem ersten und einem zweiten Klebstoffsystem eignen, da sich thermoplastisches Material sehr gut in den Aushärtungsprozess des Reaktionsharzsystems integrieren lässt.
So hat sich z.B. herausgestellt, dass sich thermoplastische Materialien finden lassen, die eine ähnliche Schmelztemperatur haben, welche der Härtetemperatur des Reaktionsharzsystems des ersten Klebstoffsystems entspricht, so dass beide Klebstoffsysteme in einem Aushärtungsprozess bzw. Zyklus gemeinsam verfestigt werden können. Dabei bildet das thermoplastische Material eine gute Verbindung und gute Grenzschicht zwischen dem ersten Klebstoffsystem und dem zweiten Klebstoffsystem.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Faserverbundstruktur durch Verkleben zweier getrennter Faserverbund-Bauelemente wie folgt hergestellt. Zunächst werden die beiden Faserverbund-Bauelemente aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, indem ein Matrixmaterial, welches ein Fasermaterial durchtränkt, durch thermischen Energieeintrag ausgehärtet wird. Dies kann beispielsweise mit dem klassischen Injektionsverfahren oder unter Verwendung von Prepregs erfolgen. Vor dem Aushärtungsprozess der Faserverbund-Bauelemente wird allerdings im Bereich der Fügestelle, der dem Überlappungsbereich entspricht, an dem die beiden Faserverbund-Bauelemente zusammengefügt werden sollen, das zweite Klebstoffsystem mit dem thermoplastischen Material aufgebracht, so dass freie Bereiche für die separaten Klebstoffzonen des ersten Klebstoffsystems gebildet werden. Das Aufbringen bzw. Auftragen des zweiten Klebstoffsystems erfolgt dabei auf beiden Bauelementen, beispielsweise mittels einer Folie mit thermoplastischem Material. Dies kann beispielsweise eine Thermoplastfolie, vorteilhafterweise PVDF-Folienstreifen, sein.
Anschließend werden die Faserverbund-Bauelemente mit dem zweiten Klebstoffsystem gemeinsam ausgehärtet, wobei dadurch ein Aufschmelzen des thermoplastischen Materials erfolgt und so während des Aushärtens des Matrixmaterials in dem Fasermaterial eine gute Verbindung zwischen den Bauelementen und dem zweiten Klebstoffsystem gebildet wird.
Anschließend, nach dem die Faserverbund-Bauelemente ausgehärtet wurden, wird in die freien Bereiche der separaten Klebstoffzonen das erste Klebstoffsystem aufgebracht bzw. eingebracht. Dabei kann das erste Klebstoffsystem ausschließlich auf dem ein oder anderen Bauelement angeordnet werden, um das Zusammenfügen der beiden Elemente im Bereich der Fügestelle zu vereinfachen. Denkbar ist allerdings auch, dass in beide Bauelemente das erste Klebstoffsystem eingebracht wird.
Anschließend werden die beiden Faserverbund-Bauelemente im Bereich der Fügestelle zusammengefügt, so dass das Material des zweiten Klebstoffsystems des einen Faserverbund-Bauelementes an das Material des zweiten Klebstoffsystems des anderen Faserverbund-Bauelementes angrenzt. Mit anderen Worten, die jeweiligen Klebstoffsysteme der Bauelemente grenzen nunmehr jeweils aneinander, so dass im nächsten Prozessschritt die beiden Klebstoffsysteme verfestigt werden können. Die Verfestigung der beiden Klebstoffsysteme zur Bildung der Klebverbindung wird durch thermischen Energieeintrag realisiert, wobei während des Aushärtens des ersten Klebstoffsystems das zweite Klebstoffsystem mit dem thermoplastischen Material aufschmilzt, so dass das zweite Klebstoffsystem des ersten Bauelementes mit dem zweiten Klebstoffsystem des zweiten Bauelementes an seine angrenzenden Flächen verschweißt wird und eine gute Verbindung entsteht. Da bei dem thermischen Energieeintrag zur Verfestigung der beiden Klebstoffsysteme das zweite Klebstoffsystem mit dem thermoplastischen Material erneut aufschmilzt, entsteht eine homogene, thermoplastische Schicht zwischen den beiden Fügeteilen, welche eine sehr gute Anbindung zu den Bauelementen besitzt.
Vorteilhafterweise weist das zweite Klebstoffsystem dabei eine ähnliche Schmelztemperatur auf wie die Aushärtetemperatur des ersten Klebstoffsystems.
Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn die Größe der Klebstoffzonen des ersten Klebstoffsystems so gewählt werden, dass eine vorgegebene Anzahl von Klebstoffzonen versagen kann, ohne dass die gesamte Klebeverbindung eine vorgegebene Festigkeit unterschreitet. Unter dem Versagen einer Klebstoffzone des ersten Klebstoffsystems wird dabei verstanden, dass die gesamte Klebstoffzone nicht mehr zur Lastübertragung der Klebverbindung geeignet ist, beispielsweise wenn sich innerhalb der Klebstoffzone ein Riss ausgebildet hat. Durch die Wahl der Größe der Klebstoffzonen so, dass eine vorgegebene Anzahl der Klebstoffzonen versagen kann, ohne dass die Festigkeit gegenüber einem Grenzwert beeinträchtigt wird, kann gewährleistet werden, dass die Klebverbindung auch bei auftretenden Beschädigungen, beispielsweise aufgrund von Fertigungsfehlern, trotzdem noch fest genug ist, um die auftretenden Belastungen abzutragen. Dieser Zuwachs an Schadenstoleranz der Gesamtverbindung wirkt sich positiv auf die Zulassungsfähigkeit von Klebeverbindungen im Luftfahrzeugbereich aus.
Im Übrigen wird die Aufgabe auch mit einer Faserverbundstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff mit zwei Faserverbund-Bauelementen, die durch eine Klebverbindung stoffschlüssig zusammengefügt sind, erfindungsgemäß gelöst. Auch hierbei ist die Klebverbindung so ausgebildet, dass die Fügestelle eine Mehrzahl von separaten Klebstoffzonen beim ersten Klebstoffsystem hat, zwischen denen von dem ersten Klebstoffsystem verschiedenes zweites Klebstoffsystem angeordnet ist, so dass die jeweiligen Klebstoffzonen mit dem ersten Klebstoffsystem stofflich durch das zweite Klebstoffsystem voneinander abgegrenzt sind. Das zweite Klebstoffsystem hat gegenüber dem ersten Klebstoffsystem dabei eine höhere Bruchzähigkeit, so dass sich ein in dem ersten Klebstoffsystem ausbreitender Riss auf die Klebstoffzone begrenzt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – beispielhafte Darstellung einer geklebten Faserverbundstruktur;
2a, 2b – schematische Darstellung zweier Verfahrensschritte in einer vorteilhaften Ausführungsform.
1 zeigt schematisch eine Faserverbundstruktur 100, die durch Verkleben zweier Faserverbund-Bauelemente 110 und 120 im Bereich ihrer Fügestelle 130 hergestellt wurde. Die Fügestelle 130 meint dabei den Bereich, in dem die beiden Faserverbund-Bauelemente mittels der Klebeverbindung, d.h. mittels der verwendeten Klebstoffsysteme, zusammengefügt wurden.
Die Klebeverbindung im Bereich der Fügestelle 130 besteht dabei aus einem ersten Klebstoffsystem 140 und einem zweiten Klebstoffsystem 150, die im Ausführungsbeispiel der 1 streifenförmig angeordnet sind. Das erste Klebstoffsystem 140 ist dabei dasjenige Klebstoffsystem, welches lasttragend ist. Das zweite Klebstoffsystem 150 weist gegenüber dem ersten Klebstoffsystem 140 eine höhere Bruchzähigkeit auf, um sich ausbreitende Risse 160 innerhalb des ersten Klebstoffsystems 140 begrenzen zu können.
Hierfür ist im Bereich der Fügestelle 130 eine Mehrzahl von Klebstoffzonen 170 vorgesehen, in denen das erste Klebstoffsystem 140 eingebracht wird, wobei die benachbarten Klebstoffzonen 170 durch das zweite Klebstoffsystem 150 stofflich voneinander getrennt sind. Ein sich ausbreitender Riss 160 kann somit nicht in eine benachbarte Klebstoffzone wachsen.
Die 2a und 2b zeigen schematisch einen Teilschritt, während der Herstellung der Faserverbundstruktur. In 2a ist dabei ein Faserverbund-Bauelement 110 gezeigt, das zu diesem Zeitpunkt noch nicht ausgehärtet ist. Im Bereich der Fügestelle 130 werden nun Folien mit dem zweiten Klebstoffsystem 150 aufgebracht, so dass sich im Ausführungsbeispiel der 2a kachelförmige, freie Bereiche für die separaten Klebstoffzonen 170 ausbilden. Zu diesem Zeitpunkt ist in den Klebstoffzonen 170 bzw. in diesen freien Bereichen noch kein weiteres Klebstoffsystem eingebracht.
Anschließend wird das Faserverbund-Bauelement 110 zusammen mit dem zweiten Klebstoffsystem 150 ausgehärtet, wobei hierbei das zweite Klebstoffsystem 150 mit einem thermoplastischen Material aufschmilzt und somit zusammen mit dem Matrixmaterial des Faserverbund-Bauelementes 110 eine gute stoffliche Verbindung eingeht.
Nach dem Aushärten des Bauelementes 110 zusammen mit dem zweiten Klebstoffsystem 150 wird nun, wie in 2b schematisch angedeutet, in die freien Bereiche der Klebstoffzonen 170 das erste Klebstoffsystem eingebracht. Diese Klebstoffzonen 170 bilden nachher bei der fertigen Faserverbundstruktur die lasttragenden Verklebungsbereiche. Ein so hergestelltes zweites Bauteil wird nun im Überlappungsbereich so angeordnet, dass die beiden Klebstoffsysteme jeweils aneinandergrenzen, so dass im nächsten Schritt die nunmehr zusammengefügten Bauteile und ihre Klebverbindung verfestigt werden können. Auch hierzu wird thermische Energie eingebracht, wodurch das erste Klebstoffsystem sich verfestigt und eine stoffschlüssige Klebverbindung erzeugt, während das zweite Klebstoffsystem mit seinem thermoplastischen Material aufschmilzt und an seinen angrenzenden Flächen ebenfalls eine gute stoffschlüssige Verbindung erzeugt.
Nachdem Verfestigen der Klebeverbindung im Bereich der Fügestelle 130 entsteht dann die vorteilhafte Faserverbundstruktur 100 mit einer Klebeverbindung, in der ein entstehender Riss begrenzt werden kann.
Bezugszeichenliste

100: Faserverbundstruktur
110: erstes Faserverbund-Bauelement
120: zweites Faserverbund-Bauelement
130: Fügestelle
140: erstes Klebstoffsystem
150: zweites Klebstoffsystem
160: Riss
170: Klebstoffzonen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008039223 B3 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Bartel: „Numerische und experimentelle Untersuchung an Klebverbindungen mit gradierter Klebschicht“ (ISBN 978-3-8322-6112-2, Schriftreihe des Instituts für Werkstofftechnik Kassel, April 2007) [0005]
K. et al.; Self-healing of delamination cracks in mendable epoxy matrix laminates using poly[ethylene-co-(methacrylic acid)]thermoplastic, Composites Part: A, 2012 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Faserverbundstruktur aus mindestens zwei getrennten Faserverbund-Bauelementen, die an einer Fügestelle durch eine Klebverbindung stoffschlüssig zusammengefügt werden, gekennzeichnet durch Einbringen eines ersten Klebstoffsystems und eines von dem ersten Klebstoffsystem verschiedenes zweites Klebstoffsystem in den Bereich der Fügestelle derart, dass eine Mehrzahl von separaten Klebstoffzonen mit dem ersten Klebstoffsystem in dem Bereich der Fügestelle gebildet werden, zwischen denen jeweils das zweite Klebstoffsystem angeordnet ist, so dass die jeweiligen Klebstoffzonen mit dem ersten Klebstoffsystem stofflich durch das zweiten Klebstoffsystem voneinander abgegrenzt werden, und Verfestigen der beiden Klebstoffsysteme zur Bildung der Klebverbindung zum stoffschlüssigen Zusammenfügen der mindestens zwei getrennten Faserverbund-Bauelemente, wobei im verfestigten Zustand das zweite Klebstoffsystem eine gegenüber dem ersten Klebstoffsystem höhere Bruchzähigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im verfestigten Zustand das erste Klebstoffsystem eine gegenüber dem zweiten Klebstoffsystem höhere Steifigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Klebstoffsystem derart in den Bereich der Fügestelle eingebracht wird, dass streifenförmige oder kachelförmige Klebstoffzonen ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen Klebstoffzonen orthogonal zu einer vorgegebenen Belastungsrichtung der Fügestelle angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Klebstoffsystem einen höheren Materialanteil an der Klebverbindung hat als das zweite Klebstoffsystem und/oder dass die Grenzschicht zwischen dem ersten Klebstoffsystem und den Faserverbund-Bauelementen eine größere Fläche aufweist als die Grenzschicht zwischen dem zweiten Klebstoffsystem und den Faserverbund-Bauelementen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Klebstoffsystem ein Reaktionsharzsystem ist und das zweite Klebstoffsystem ein thermoplastisches Material enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Herstellen der Faserverbund-Bauelemente, indem ein Matrixmaterial, welches ein Fasermaterial durchtränkt, durch thermischen Energieeintrag ausgehärtet wird, wobei vor dem Aushärten im Bereich der Fügestelle auf jedes Faserverbund-Bauelement das zweite Klebstoffsystem, welches ein thermoplastisches Material enthält, aufgebracht wird, so dass freie Bereiche für die separaten Klebstoffzonen des ersten Klebstoffsystems gebildet werden, b) Aufbringen des ersten Klebstoffsystem auf mindestens eines der Faserverbund-Bauelemente in die freien Bereiche der separaten Klebstoffzonen, c) Zusammenfügen der beiden Faserverbund-Bauelemente im Bereich der Fügestelle, so dass das Material des zweiten Klebstoffsystems des einen Faserverbund-Bauelementes an das Material des zweiten Klebstoffsystems des anderen Faserverbund-Bauelementes angrenzt, und d) Verfestigen der beiden Klebstoffsysteme zur Bildung der Klebverbindung durch thermischen Energieeintrag.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen der Klebstoffzonen des ersten Klebstoffsystems so gewählt werden, dass eine vorgegebene Anzahl von Klebstoffzonen versagen kann, ohne dass die gesamte Klebverbindung eine vorgegebene Festigkeit unterschreitet.
Faserverbundstruktur (100) aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem ersten Faserverbund-Bauelement (110) und mindestens einem zweiten Faserverbund-Bauelement (120), die an einer Fügestelle (130) durch eine Klebverbindung stoffschlüssig zusammengefügt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestelle (130) eine Mehrzahl von separaten Klebstoffzonen (170) mit einem ersten Klebstoffsystem (140) aufweist und zwischen den jeweiligen separaten Klebstoffzonen (170) ein von dem ersten Klebstoffsystem (140) verschiedenes zweites Klebstoffsystem (150) angeordnet ist, so dass die jeweiligen Klebstoffzonen (170) mit dem ersten Klebstoffsystem (140) stofflich durch das zweite Klebstoffsystem (150) voneinander abgegrenzt sind, wobei im verfestigten Zustand das zweite Klebstoffsystem (150) eine gegenüber dem ersten Klebstoffsystem (140) höhere Bruchzähigkeit aufweist.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im verfestigten Zustand das erste Klebstoffsystem eine gegenüber dem zweiten Klebstoffsystem höhere Steifigkeit aufweist.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffzonen des ersten Klebstoffsystems streifenförmig und/oder kachelförmig in der Fügestelle ausgebildet sind.
Faserverbundstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen Klebstoffzonen orthogonal zu einer vorgegebenen Belastungsrichtung der Fügestelle angeordnet sind.
Faserverbundstruktur nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Klebstoffsystem einen höheren Materialanteil an der Klebverbindung hat als das zweite Klebstoffsystem und/oder dass die Grenzschicht zwischen dem ersten Klebstoffsystem und den Faserverbund-Bauelementen eine größere Fläche aufweist als die Grenzschicht zwischen dem zweiten Klebstoffsystem und den Faserverbund-Bauelementen.
Faserverbundstruktur nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Klebstoffsystem ein Reaktionsharzsystem ist und das zweite Klebstoffsystem ein thermoplastisches Material enthält.
Faserverbundstruktur nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen der Klebstoffzonen des ersten Klebstoffsystems so ausgebildet sind, dass eine vorgegebene Anzahl von Klebstoffzonen versagen kann, ohne dass die gesamte Klebverbindung eine vorgegebene Festigkeit unterschreitet.