DE102013112933B4

DE102013112933B4 - Verfahren zum Reparieren von Faser-Kunststoff-Verbünden

Info

Publication number: DE102013112933B4
Application number: DE102013112933.1A
Authority: DE
Inventors: Chokri Cherif; Rolf-Dieter Hund; Elias Staiger; Kristin Küchler
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2033-11-23
Also published as: DE102013112933A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten der Reparatur eines Reparaturbereichs (4) eines Bauteils (1) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) mit einer Matrix (3) aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, wobei der Reparaturbereich (4) einen Schadensbereich (5) mit zumindest geschädigter Matrix (3) und ggf. auch geschädigter oder zerstörter Faserstruktur umfasst. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Metalloxid-Halbleiter (6) mit dem Reparaturbereich (4) in Kontakt gebracht und durch Aktivierung, vorzugsweise thermische Aktivierung, die Matrix (3) im Reparaturbereich (4) an- oder aufgelöst wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Reparieren eines geschädigten Bereichs eines Faser-Kunststoff-Verbundes (FKV) mit einer Matrix aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, wobei in einem erfindungsgemäß vorbereiteten Reparaturbereich (4) zumindest eine Matrix aus duromerem Harz bzw. eine thermoplastische oder elastomere Matrix wieder aufgebaut wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten der Reparatur eines Reparaturbereichs eines Faser-Kunststoff-Verbundes (FKV) nach Anspruch 1. Gleichfalls umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Reparieren eines solchen Reparaturbereiches.
Die Reparatur von FKV, insbesondere von Verbünden von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), stellt momentan ein noch nicht vollständig gelöstes Problem dar. Für die Wiederherstellung von FKV-Bauteilen auf duromerer Matrixbasis sind zurzeit das Schäften, die Doppler-Reparatur sowie die Sandwichreparatur gegenwärtiger Stand der Technik. Das Schäften von FKV-Bauteilen ist eine einfache und inzwischen bewährte Reparaturmethode. Das Grundprinzip beruht darauf, den Bereich des schadhaften Laminats durch ein mechanisches Abtragverfahren anzuschrägen. Sofern erforderlich, wird der schadhafte Bereich des Laminates zunächst großflächig durch Trennen (Sägen, Fräsen, Wasserstrahl- oder Laserstrahlschneiden) entfernt und eine Oberflächenvorbehandlung der Schäftungsfläche vorgenommen. Danach kann der somit erhaltene Reparaturbereich über abgestuft zugeschnittene Verstärkungstextillagen und ggf. einer zusätzlichen Reparaturschicht belastungsgerecht überbrückt werden. Durch anschließende Imprägnierung der Verstärkungstextillagen, beispielsweise durch Handlaminieren oder Vakuuminfusion, erfolgt die lokal begrenzte Verbundneubildung. Dabei hat die Art und Weise der Anordnung der neuen Verstärkungstextillagen eine entscheidende Bedeutung für die Qualität der Wiederherstellung der Verbundeigenschaften bzw. der ursprünglichen Tragfähigkeit.
Die Schäftungen können einseitig oder beidseitig, gestuft oder im Wesentlichen kantenfrei ausgeführt werden. Die Schäftverhältnisse werden als Verhältnis der Laminatdicke zur Länge der Anschrägung angegeben. Übliche Schäftungsverhältnisse für gewebeverstärkte CFK betragen 1:50 und für unidirektionale CFK-Laminate 1:100. Das Schäften kann entweder manuell mittels Exzenterschleifer, Tellerschleifer oder von Hand bzw. automatisiert erfolgen. Automatisierte Vorgänge zum Schäften basieren auf abtragenden Verfahren durch Einsatz von Fräs- oder Lasertechnologie, siehe beispielsweise die DE 39 03 153 A1 und die DE 10 2011 014 017 A1 für eine Laserbehandlung. Eine Schwachstelle bildet hierbei das Fügen der Reparaturschichten Stoß an Stoß, da es im Übergangsbereich zu Kraftflussunterbrechungen kommt.
Die DE 103 52 964 B3 schlägt ihrerseits den Einsatz von Mikrowellen vor.
Die Reparatur durch Aufbringung von Dopplern beruht auf dem Prinzip, den geschädigten Bereich kraftflussgerecht zu überbrücken. Darauf basierend gibt es verschiedene Reparaturvarianten hinsichtlich der dafür eingesetzten Materialien, z. B. Metallbleche oder CFK. Diese können nach einer geeigneten Oberflächenbehandlung durch Kleben, Laminieren, Nieten oder Schrauben ein- oder beidseitig auf das geschädigte Bauteil aufgebracht werden.
Sandwichverbunde werden durch das mechanische Entfernen der Schadstelle und das Anschäften analog zur Reparatur durch Schäftung instandgesetzt. Die Abtragung des Kerns erfolgt bis an die Ränder der Trennstelle durch Sägen oder Fräsen. Anschließend wird die untere FKV-Decklage entweder angeraut oder bei zu starker Beschädigung entfernt. Entsprechend der Schadstelle kann ein Stück Sandwichkern angepasst und eingeklebt werden, bzw. bei beschädigter unterer FKV-Decklage wird der Sandwichkern mit Verstärkungstextilien laminiert und dann eingeklebt.
Das Interlock-Reparaturverfahren beruht auf dem Prinzip des Formschlusses und ist besonders für Schalenelemente geeignet. Der schadhafte Bereich wird mittels Wasserstrahl automatisiert entfernt, wobei die Schnittkante eine hinterschnittbehaftete Randgeometrie bildet. Entsprechend dieser Geometrie wird ein Reparatur-Patch angefertigt und eingeklebt, wodurch eine puzzleähnliche stoffschlüssige Interlock-Verbindung erhalten wird. Neben der ausschließlichen Anwendung dieses Reparaturverfahrens auf Schalenelemente ist eine aufwändige separate Fertigung des Patches erforderlich. Der direkte Kraftfluss zwischen den Fasern kann nicht wiederhergestellt werden.
Eine weitere Reparaturmethode ist die selektive Freilegung von Fasern aus der Matrix mit Hilfe von Laserstrahlung. Die Matrix wird durch die gezielt angepasste Laserstrahlung entfernt, wobei die Abtragung ausschließlich an der Verbundoberfläche erfolgt.
Ein weiterer Ansatz zur Reparatur und zum Recycling von Composites zielt auf die Entwicklung und den Einsatz spezieller Organo-Cyanat-basierter duromerer Harzsysteme ab. Mit Hilfe eines entsprechenden Lösungsmittels ist ein vollständiges Entfernen der Matrix möglich. Allerdings ist dieses Verfahren nicht universell für alle duromeren Harzsysteme einsetzbar, sondern ausschließlich auf ein speziell angepasstes Matrixsystem anwendbar.
Kleinschäden, wie beispielsweise Dellen in einem Sandwichverbund mit Schaumkern, lassen sich durch lokale Erwärmung der Schadstelle auf 60°C bis 70°C beispielsweise mit Heißluft ausbessern. Durch die Wärmeausdehnung des Schaumes kommt es zu einer Rückverformung der Delle.
Oberflächenschäden sind Schädigungen, bei denen die äußeren Faserlagen freiliegen, aber nicht geschädigt sind und somit keine Beeinträchtigungen für die spätere Bautentragfähigkeit bestehen. Meistens reicht es aus, die Oberfläche mit einem geeigneten Harzsystem zu versiegeln bzw. auszubessern.
Für Kleinschäden, bei denen die äußeren Faserschichten z. B. durch Steinschlag geschädigt sind, besteht auch bei aus mechanischer Sicht unkritisch einzuschätzender Beschädigung Handlungsbedarf. Dieser dient der Vermeidung eines Schadenswachstums und ungewollter Feuchtigkeitsaufnahme. Hier wird das Aufbringen von Dopplern in der Art von Pflastern empfohlen.
Für die Reparatur von Schäden an FKV-Strukturen auf Basis thermoplastischer Matrixsysteme haben sich noch keine Reparaturverfahren vollständig bzw. universell bewährt, u. a. auch bedingt durch den bisher geringeren Einsatz von endlosfaserverstärkten thermoplastischen FKV-Strukturen gegenüber vergleichbaren duromeren FKV-Strukturen. In der DE 10 2012 207 468 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Monomer der verwendeten Thermoplastmatrix in die Schadstelle des Bauteils injiziert und anschließend die Schadstelle erwärmt wird, so dass die Ursprungsthermoplastikmatrix zumindest teigig wird und das aufgetragene Monomer polymerisiert. Als Reparaturverfahren kommt beispielsweise weiterhin das sog. Fusion Bonding in Frage. Hierbei werden Risse oder Delaminationen durch lokales Aufheizen über der Schmelztemperatur der Matrix und einer Abkühlung unter Druck verschmolzen. Beim sog. Patch Repair werden Doppler – analog zur Reparatur von duromeren Verbunden – aufgebracht, wobei diese mit mechanischen Fügeelementen wie Schrauben oder Nieten verbunden werden. Klebeverbindungen sind entsprechend der Kompatibilität mit dem Kunststoff auszuwählen. Eine wiederum andere Methode stellt das sog. Thermo Reforming dar, bei dem das beschädigte Bauteil entfernt und in einem Originalformwerkzeug neu geformt wird. Zwar sind somit für die Reparatur von thermoplastisch basierten FKV einige aussichtsreiche Verfahren vorhanden. Jedoch fehlt ihnen die universelle Anwendbarkeit.
Insgesamt sind die Nachteile der bekannten FKV-Reparaturtechniken vielfältig. So ist bei ihnen trotz bestehender Automatisierungsansätze generell ein hoher manueller Aufwand notwendig, was in der Regel sehr zeit- und kostenaufwändig ist. Zudem lassen die derzeitigen Verfahren nur eine mangelnde Reproduzierbarkeit der Reparaturqualität und somit der Verbundqualität im Reparaturbereich zu. Des Weiteren beziehen sich die eingesetzten Reparatursysteme in der Regel auf spezielle Bauteilgruppen und sind stark auf einzelne Schadens- und Anwendungsfälle zugeschnitten. Auch erfordert eine FKV-Reparatur oftmals die Zerstörung bzw. Entfernung der noch intakten Verbundstruktur und damit der textilen Verstärkungsstruktur über die eigentliche Schadstelle hinaus. Nicht zuletzt wird die ursprüngliche Tragfähigkeit aufgrund der Kraftflussunterbrechung in den meisten Fällen bei weitem nicht wieder erreicht.
In der DE 43 08 528 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kautschuk/Kautschuk- und Kautschuk/Gummi-Verbindungen mit dynamischen und statischen Festigkeiten in einer Größe, wie sie für Fördergurte benötigt werden, unter Verwendung eines in flüssiger Form aufgebrachten unvulkanisierten Kautschuks, der mit Vulkanisationshilfsmitteln nach dem Auftragen und in Kontakt mit den zu verbindenden Flächen ausvulkanisiert, bei dem als Haftmittel ein wässrig dispergierter halogenhaltiger Butadienkautschuk mit wenigstens einem blockierten Isocyanat und einem Metalloxid als Vulkanisierungshilfsmittel verwendet wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Reparatur von FKV-Bauteilen mit geschädigter Matrix und ggf. zusätzlich geschädigter oder zerstörter textilbasierter Verstärkungsstruktur zu ermöglichen, um eine möglichst vollständige Wiederherstellung der vom Bauteil geforderten Eigenschaften, insbesondere von deren Trageigenschaften, zu erzielen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Entsprechend der Erfindung wird mindestens ein Metalloxid-Halbleiter mit dem Reparaturbereich in Kontakt gebracht. Der Reparaturbereich umfasst hierbei den Schadensbereich des Bauteils, der wiederum aus dem offensichtlichen Schadensbereich sowie – falls einschlägig – demjenigen Bereich besteht, in dem eine Schädigung der textilen Verstärkungsstruktur durch den Schadensfall nicht ausgeschlossen werden kann. Durch katalysierende Aktivierung, insbesondere durch Erhitzung mittels einer Wärmequelle, kann die Matrix im Reparaturbereich an- oder aufgelöst werden. Der Entzug der Wärmequelle beendet die Reaktion. Bei dem bevorzugten vollständigen Entfernen des Matrixmaterials im Reparaturbereich wird die textile Grundstruktur, die ungeschädigt oder geschädigt (bis ganz zerstört) sein kann, freigelegt. Der somit freigelegte, für die Reparatur vorbereitete, den Schadensbereich einschließende Reparaturbereich kann dann in einem weiteren Schritt wieder instandgesetzt werden, vorzugsweise – im Falle einer Harzmatrix – durch Füllung mit Harz, wobei insbesondere bei geschädigter Textil- bzw. Verbundstruktur zuvor ein entsprechendes Reparaturpatch in den Reparaturbereich eingebracht wird.
Somit wird nach der lokalen Entfernung der Matrix mit Hilfe von mindestens einem Metalloxid-Halbleiter die freigelegte geschädigte bzw. zerstörte textile Verbundstruktur durch das Einbringen eines lastgerecht angepassten Reparaturpatches überbrückt. Mit dem Neuaufbau des FKV im Reparaturbereich durch lokale Harzinfusion oder Einbringung thermoplastischen oder elastomeren Matrixmaterials kann die ursprüngliche Tragfähigkeit wiederhergestellt werden.
Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, die Trageigenschaften des Bauteils durch einen weitestgehend auf den Schadensbereich begrenzten, lastgerechten Verbundneuaufbau wiederherzustellen. FKV-Bauteile, die eine lokale Schädigung oder Zerstörung der tragenden Faserstruktur erlitten haben, können somit auf einfache Weise repariert werden.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass unabhängig vom verwendeten duromeren Harzsystem oder thermoplastischen oder elastomeren Martrixwerkstoff FKV-Bauteile mit geschädigter oder zerstörter Verstärkungsstruktur repariert werden können, anstatt diese auszutauschen. Mit dem Verbundneuaufbau im Reparaturbereich wird die Bauteilgeometrie nicht verändert. Dies ist insbesondere bei aerodynamisch relevanten Bauteilen von enormem Vorteil. Potenziell ist das Verfahren auch an Bauteilen anwendbar, die nicht oder nur unter erheblichem Aufwand ausgebaut werden können.
Hierbei kommt ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Tragen, da im Rahmen der Reparatur das Bauteil mechanisch kaum belastet wird. Der Reparaturbereich kann vielmehr gezielt behandelt und die Bauteilinstandsetzung auf einen minimalen Bereich beschränkt werden.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die bei der katalytischen Matrixentfernung umgesetzten Stoffe unbedenklich und umweltverträglich sind. Zudem wird der manuelle Aufwand einer qualitativ hochwertigen Reparatur deutlich reduziert.
Im Vergleich zu den bekannten Reparaturverfahren ist das neu entwickelte Verfahren universell, d. h. unabhängig vom Matrixsystem anwendbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei der alleinigen Schädigung der Matrix, d. h. ohne beschädigte Faserstrukturen, eingesetzt werden. Hierbei wird durch die katalytische Wirkung von mindestens einem Metalloxid-Halbleiter die geschädigte duromere Harzmatrix oder die Matrix thermoplastischen bzw. elastomeren Ursprungs im Reparaturbereich entfernt und die intakte Verstärkungsstruktur freigelegt.
Im Rahmen dieser Erfindung werden unter dem Begriff ”Metalloxid” chemische Verbindungen zwischen einem Metall und Sauerstoff verstanden. Unter dem Begriff „Metalloxid-Halbleiter” werden vorliegend Metalloxide verstanden, die Halbleiter sind, d. h. Festkörper, welche abhängig von ihrem Zustand als elektrische Leiter oder Nichtleiter wirken. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark temperaturabhängig. Bei Raumtemperatur sind sie je nach materialspezifischem Abstand von Leitungs- und Valenzband leitend oder nichtleitend. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern nimmt bei steigender Temperatur zu.
Die katalytische Funktionsweise der Metalloxid-Halbleiter ist wie folgt zu erklären: In Halbleitern können Elektronen durch z. B. thermische Anregung vom Valenzband ins Leitungsband gelangen. An der Stelle, an der sich das Elektron befand, verbleibt ein sog. Defektelektron, auch Elektronenloch genannt. Dieses Elektronenloch wird nun von anderen Elektronen im Valenzband besetzt, wodurch ”wandernde” Löcher entstehen, welche als positive Ladungsträger angesehen werden können. Durch Einfangen gebundener Elektronen kommt es zur Radikalkationenausbildung und deren Ausbreitung im polymeren Substrat, wodurch große Molekülketten in einzelne Fragmente gespalten werden. Anschließend reagieren diese Fragmente mit Sauerstoff in einer vollständigen Oxidation zu Wasser und Kohlendioxid. Daher kann die Matrix im Reparaturbereich vollständig aufgelöst werden.
Besonders bevorzugt wird der mindestens eine Metalloxid-Halbleiter aus einer Gruppe ausgewählt, welche folgende Mitglieder umfasst: TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃, ZrO₂, WO₃, MoO₃, Ta₂O₅, CuO, Cu₂O, V₂O₅, Co₃O₄, CeO₂. Mischungen aus mehreren der vorgenannten Verbindungen sind ebenfalls möglich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird Cr₂O₃ eingesetzt.
Metalloxid-Halbleiter lassen sich nicht nur in Pulverform zur lokalen Matrixentfernung einsetzen, sondern und insbesondere auch in gesinterter Form als ”Pad”. Somit ist es möglich, die thermische Anregung von der Oberseite des FKV-Bauteils (CFK-Bauteil) durchzuführen.
Ein exakt definiert eingegrenzter Reparaturbereich kann erhalten werden, wenn eine Schablone mit einem dem zu reparierenden Bereich entsprechenden Ausschnitt angefertigt und nachfolgend auf den Reparaturbereich gelegt wird, bevor der mindestens eine Metalloxid-Halbleiter aufgebracht wird.
Gemäß einer Alternative wird der Reparaturbereich vor Kontaktierung mit dem mindestens einen Metalloxid-Halbleiter durch Steuerung einer Energiequelle, beispielsweise einem Laser, eingegrenzt. Durch Verwendung eines Lasers lässt sich der Reparaturbereich hochpräzise definieren. Auch kann das später einzusetzende Reparaturpatch basierend auf demselben Datensatz, wie er bei der Eingrenzung des Reparaturbereichs vorgegeben oder erhalten wird, angefertigt werden (wofür wiederum ein Laser verwendet werden kann).
Als thermische Aktivierungsquelle zum katalytischen Abbau der duromeren oder thermoplastischen oder elastomeren Matrix finden vorzugsweise Infrarotquellen, Heißluftquellen, Heizstäbe, Heizdrähte, Heizflammen, Laser oder induktiv anregbare Heizquellen Anwendung, welche auf den Reparaturbereich gerichtet werden. Die Temperatur dieser Aktivierungsquellen wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass die Matrix im Reparaturbereich wunschgemäß an- oder aufgelöst wird. Es werden hierbei hauptsächlich Temperaturen von oberhalb 400°C eingesetzt, vorzugsweise auch oberhalb von 450°C. Die Temperaturen liegen bei Verwendung von CFK vorteilhafterweise unterhalb von ca. 700°C und bei GFK unterhalb von 500°C, damit die Verstärkungsfasern nicht beschädigt bzw. deren strukturmechanische Eigenschaften nicht herabgesetzt werden.
In durchgeführten Experimenten wurde ein Verbundwerkstoff aus Carbon-Endlosfasern, welcher als Matrix ein handelsübliches Epoxidharz aufwies und eine Gesamtstärke von 3 mm besaß, verwendet. Auf diesen Verbundwerkstoff wurde Chrom(III)-oxid (Cr₂O₃) als Oxidhalbleiter in einer nahezu kreisrunden Fläche mit einem Durchmesser von 3 cm gestreut (prinzipiell sind jedoch alle Flächengeometrien möglich). Dieses Pulver besaß eine Korngröße von 0,5–1,5 μm und eine spezifische Oberfläche von 3,0–5,0 m²/g. Anschließend wurde mit Hilfe eines Heißluftgebläses, welches auf 450°C eingestellt war, die Unterseite des Verbundwerkstoffes für 20 min erhitzt. Nach dieser Reaktionszeit war die Matrix in einem kreisförmigen Segment mit einem Durchmesser von 2 cm vollständig lokal entfernt.
Nach dem oben beschriebenen erfindungsgenmäßen Vorbereiten des Reparaturbereichs durch An- oder vorzugsweise vollständiges Auflösen der Harzmatrix wurde in einem sich anschließenden Schritt die Reparatur des Bauteils vorgenommen.
Wie zuvor angesprochen kann bei lediglich geschädigter Matrix (also ungeschädigter Textil- bzw. Verbundstruktur) die Matrix wieder aufgebaut werden. Bei zusätzlich geschädigter Verbundstruktur wird bevorzugt ein Reparaturpatch in den Reparaturbereich eingepasst. Hierbei hat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Reparaturpatch die gleiche oder eine strukturell vergleichbare textile Struktur wie das zu reparierende FKV-Bauteil. Durch die strukturelle Anpassung des Reparaturpatches an die originale Verbundstruktur können optimale Kraftflussübertragungen erzielt werden.
Zur Auswahl und Anfertigung eines entsprechenden Reparaturpatches wird für den Schadensbereich bevorzugt eine Analyse, bspw. numerisch mittels der Methode der Finiten Elemente (FEM), hinsichtlich der vom Bauteil geforderten Trageigenschaften durchgeführt. Auf dieser Grundlage kann ein belastungsgerecht angepasstes textiles Reparaturpatch ausgewählt oder simulationsbegleitend beispielsweise im sog. Tailored Fibre Placement entwickelt und angefertigt werden. Die Geometrie des Reparaturpatches entspricht dem Reparaturbereich und ist somit größer als der Schadensbereich, so dass mit dem Patch ein kraftflussgerechter Übergang zur intakten ungeschädigten textilen Grundstruktur gewährleistet werden kann.
Das angefertigte textile Reparaturpatch wird in den matrixbefreiten Reparaturbereich eingepasst. Anschließend wird die Verbundstruktur im Falle einer duromeren Harzmatrix vorzugsweise durch eine lokale Matriximprägnierung mit einem kompatiblen Harzsystem (vorteilhafterweise durch ein Harzinjektionsverfahren, vorzugsweise mittels lokaler Vakuuminfusion), oder im Falle einer thermoplastischen oder elastomeren Matrix durch Einbringung thermoplastischer bzw. elastomerer Matrixmaterialien und dessen anschließender Vernetzung wiederhergestellt. Auch wenn auf einen Reparaturpatch verzichtet wird, kann die Matrix mittels lokaler Matriximprägnierung bzw. Einbringung thermoplastischer bzw. elastomerer Matrixmaterialien wieder aufgebaut werden. Eine Funktionalisierung des Reparaturbereichs zur besseren Haftung zwischen alter und neuer Matrix ist möglich.
Bei insbesondere weniger anspruchsvollen Belastungsaufgaben an den Reparaturpatch kann dieser, gemäß alternativer Ausführungsformen, eine andere Textilstruktur oder auch eine nicht-textilbasierte Struktur besitzen. Es können beispielsweise auch Inserts und/oder Sensoren integriert werden. Somit ist das Reparaturverfahren auch für Schäden an FKV-Bauteilen ohne Einfluss auf die Trageigenschaften geeignet. Es kann hierbei ggf. eine tiefere Schadensanalyse entfallen und ein Reparaturpatch aus nicht speziell angefertigtem kompatiblem Verstärkungshalbzeug verwendet werden. Auch hier bietet sich die vorgenannte Matriximprägnierung bei Vorliegen einer Harzmatrix an.
Eine Alternative zu lokalen Harzinfusionsverfahren stellt das Handlaminieren dar, auch wenn dieses nicht zu den üblicherweise bevorzugten Verfahrensvarianten zu zählen ist.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung mindestens eines Metalloxid-Halbleiters, vorzugsweise TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃, ZrO₂, WO₃, MoO₃, Ta₂O₅, CuO, Cu₂O, V₂O₅, Co₃O₄, CeO₂ oder Mischungen aus den vorgenannten Verbindungen, vorzugsweise in gesinterter Form, zum Aufbringen auf einen Bereich eines FKV-Bauteils mit einer Matrix aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen. Der besagte Bereich umfasst vorzugsweise einen Reparaturbereich, der seinerseits vorzugsweise einen Schadensbereich mit zumindest geschädigter Matrix und ggf. (d. h. wenn einschlägig) auch geschädigter oder zerstörter Faserstruktur umfasst. Erfindungsgemäß löst der mindestens eine Metalloxid-Halbleiter durch Aktivierung, vorzugsweise thermische Aktivierung, die Matrix im besagten Bereich an- oder auf. Der derartig bearbeitete Bereich kann mit einem Patch gefüllt werden, im Falle eines zu reparierenden Bereichs demnach ein Reparaturpatch. Es können alternativ oder zusätzlich auch Inserts und/oder Sensoren integriert werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein FKV-Bauteil auf Grundlage einer Harzmatrix mit geschädigter Verbundstruktur;
2 das Eingrenzen des Reparaturbereichs und das Auftragen eines Metalloxidhalbleiters;
3 das Aktivieren der katalytischen Wirkung des Metalloxidhalbleiters durch thermischen Temperatureintrag;
4 das Einbringen eines angepassten textilen Reparaturpatches;
5 den lokalen Neuaufbau des FKV durch Matriximprägnierung mit einem duromeren Harzsystem, und
6 die vollständig wieder hergestellte FKV-Struktur.
In der 1 ist schematisch ein FKV-Bauteil 1 mit einer textilen Verstärkungsstruktur 2 (eigentlich nicht sichtbar, daher mit dünnen Linien bereichsweise angedeutet) aus Carbon-Endlosfasern dargestellt. Alternativ kann das FKV-Bauteil auch aus anderen temperaturbeständigen Fasermaterialien bestehen. Das FKV-Bauteil 1 weist vorliegend eine Harzmatrix 3 aus beispielsweise einem handelsüblichen duromeren Epoxidharz auf. Alternativ liegt eine Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen vor, beispielsweise auf Grundlage von Polypropylen, Polyamid oder Polyurethan. Gezeigt ist ein Schadensbereich 5, wobei nur die beschädigte Harzmatrix 3 sichtbar ist. Der Schadensbereich 5 weist reduzierte Verbundeigenschaften auf, wobei der zu reparierende Bereich des Bauteils 1 zusätzlich zu diesem offensichtlichen Schadensbereich 5 auch den denjenigen Bereich umfasst, in dem eine Schädigung der textilen Verstärkungsstruktur durch den Schadensfall nicht ausgeschlossen werden kann. Dieser Bereich wird im Folgenden auch als Reparaturbereich 4 bezeichnet.
Entsprechend diesem Reparaturbereich 4 ist in der 2 die Eingrenzung des vom Reparateur zu reparierenden Bereichs eingezeichnet. Dieser Reparaturbereich 4 wird beispielsweise durch eine Schablone (nicht dargestellt) oder durch einen den Reparaturbereich 4 umfahrenden Laser (nicht dargestellt) eingegrenzt, um anschließend auf die somit exponierte FKV-Oberfläche des Reparaturbereichs 4 den Metalloxid-Halbleiter 6 in Form eines gesinterten Pads aufzubringen. Der Pad weist hierbei im Wesentlichen die Geometrie des Reparaturbereichs 4 auf.
In der 2 ist die Zuführung von Wärmeenergie W, bspw. in Form von Infrarotstrahlung oder Heißluft oder Laserenergie oder induktiver Beheizung mit einer Temperatur im Bereich von ca. 400°C bis 550°C, schematisch dargestellt. Hierdurch wird der katalytische Abbau der hier vorliegenden duromeren Epoxidmatrix 3 gestartet. In Folge tritt die Zersetzung der Harzmatrix 3 im Bereich des aufgebrachten Metalloxid-Halbleiters 6 in die Abbauprodukte CO₂ und H₂O ein. Durch Ausschalten oder Entfernen der Energiequelle wird der katalytische Matrixabbau beendet.
Durch den Einsatz des mindestens einen Metalloxid-Halbleiters 6 als Katalysator kann das duromere oder thermoplastische oder elastomere Matrixmaterial 3 des FKV-Bauteils 1 gezielt vollständig entfernt werden, um die textile Verstärkungsstruktur 2 freizulegen.
Nach erfolgtem Matrixabbau liegt die textile Verstärkungsstruktur 2, ob geschädigt (4) oder ungeschädigt (dieser Fall ist nicht dargestellt), des FKV-Bauteils 1 im Reparaturbereich 4 frei. Im Falle der lokalen Schädigung der Verstärkungsstruktur (4) wird zur Wiederherstellung der ursprünglichen Verbundeigenschaften ein entsprechend der Bauteilbelastung angepasstes textiles Reparaturpatch 7 erstellt und eingepasst. Für die Erstellung des Patches 7 wird – bezogen auf den Schadensbereich 5 – eine Analyse bspw. auf Grundlage der Methode der Finiten Elemente hinsichtlich des Einflusses auf die vom Bauteil 1 geforderten Trageigenschaften durchgeführt. Auf dieser Basis kann ein belastungsgerecht angepasstes textiles Reparaturpatch 7 ausgewählt oder simulationsbegleitend, wie z. B. im sog. Tailored Fibre Placement (maßgeschneidertes Fasereinsetzen), entwickelt und angefertigt werden. In der vorliegenden Darstellung weist das Reparaturpatch 7 die gleiche Textilstruktur auf wie die Verstärkungsstruktur 2 (s. 1) des FKV-Bauteils. Da der Reparaturbereich 4 vorzugsweise größer ist als der Schadensbereich 5, kann mit dem Reparaturpatch 7 ein kraftflussgerechter Übergang zur intakten ungeschädigten textilen Grundstruktur erzielt werden.
Wie gleichfalls der 4 zu entnehmen ist, wird zur Herstellung der ursprünglichen Verbundeigenschaften das entsprechend der Bauteilbelastung angepasste textile Reparaturpatch 7 in die matrixbefreite geschädigte Verstärkungsstruktur 2 eingepasst. Eine Oberflächenbehandlung in Form einer Funktionalisierung des Reparaturbereichs 4 zur Erzielung einer besseren Verbundhaftung zwischen vorhandenem und neuem Verbundmaterial kann vorgenommen werden.
In der 5 ist angedeutet, dass anschließend durch eine an sich bekannte lokale Vakuuminfusion mit einem kompatiblen duromeren Harzsystem die Harzmatrix im mit dem Bezugszeichen bezeichneten Bereich 8 durch entsprechende Vernetzung lokal wieder aufgebaut wird.
Wie in der 6 schematisch angedeutet, wird eine vollständig wiederhergestellte FKV-Struktur mit den ursprünglichen Verbundeigenschaften erhalten. Mit anderen Worten kann das reparierte FKV-Bauteil 1 den gleichen Kräften F standhalten wie das ungeschädigte.
Gemäß einer Alternative, bei der keine tieferen Schadensanalyse durchgeführt und kein speziell hergestellter Reparaturpatch verwendet wird, kann auch ein Reparaturpatch 7 aus nicht speziell angefertigtem kompatiblem Verstärkungshalbzeug verwendet werden.
Die oben beschriebenen Prozesse können auch teil- bzw. vollautomatisiert durchgeführt werden.
Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind nicht beschränkend auszulegen.

Claims

Verfahren zum Vorbereiten der Reparatur eines Reparaturbereichs (4) eines Bauteils (1) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) mit einer Matrix (3) aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, wobei der Reparaturbereich (4) einen Schadensbereich (5) mit zumindest geschädigter Matrix (3) und ggf. auch geschädigter oder zerstörter Faserstruktur umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Metalloxid-Halbleiter (6) mit dem Reparaturbereich (4) in Kontakt gebracht und durch Aktivierung, vorzugsweise thermische Aktivierung, die Matrix (3) im Reparaturbereich (4) an- oder aufgelöst wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Metalloxid-Halbleiter (6) Cr₂O₃ ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Metalloxid-Halbleiter (6) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die folgende Mitglieder umfasst: TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃, ZrO₂, WO₃, MoO₃, Ta₂O₅, CuO, Cu₂O, V₂O₅, CO₃O₄, CeO₂ und Mischungen aus den vorgenannten Verbindungen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Metalloxid-Halbleiter (6) in Pulverform und/oder in gesinterter Form auf den Reparaturbereich (4) aufgebracht und in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturbereich (4) vor Kontaktierung mit dem mindestens einen Metalloxid-Halbleiter (6) mit einer Schablone eingegrenzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturbereich (4) vor Kontaktierung mit dem mindestens einen Metalloxid-Halbleiter (6) durch Steuerung einer Energiequelle, beispielsweise einem Laser, eingegrenzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Aktivierungsquelle eine Infrarotquelle, eine Heißluftquelle, Heizstäbe, Heizdrähte, Heizflammen, Laser oder eine induktiv anregbare Heizquelle verwendet wird, welche auf den Reparaturbereich (4) gerichtet wird, wobei die im Reparaturbereich (4) erzielte Temperatur vorzugsweise oberhalb 400°C, vorteilhafterweise oberhalb 450°C, liegt.
Verfahren zum Reparieren eines geschädigten Bereichs eines Faser-Kunststoff-Verbundes (FKV) mit einer Matrix (3) aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Reparaturbereich (4), der nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche vorbereitet wurde, zumindest eine Matrix aus duromerem Harz bzw. eine thermoplastische oder elastomere Matrix wieder aufgebaut wird.
Verfahren nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reparaturpatch (7) in denjenigen Bereich, in dem das Harz an- oder aufgelöst worden ist, stoff- und/oder kraftschlüssig dauerhaft eingepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturpatch (7) die gleiche oder eine strukturell vergleichbare textile Struktur aufweist wie das zu reparierende FKV-Bauteil (1).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturpatch (7) eine im Vergleich zum FKV-Bauteil (1) unterschiedliche textile oder eine nicht-textilbasierte Struktur aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass, bei Ausbildung der Matrix (3) als Harzmatrix, diese Harzmatrix mittels einer Matriximprägnierung, vorteilhafterweise eines Harzinjektionsverfahrens, bevorzugt mittels lokaler Vakuuminfusion, wieder aufgebaut wird, wobei im Falle der Verwendung eines Reparaturpatches (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dieses Reparaturpatch (7) mittels der besagten Matriximprägnierung in dem FKV-Bauteil (1) verankert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass, bei Ausbildung der Matrix (3) als thermoplastische Matrix, diese thermoplastische Matrix mittels Aufschmelzen des thermoplastischen Werkstoffes und Einbringen in den Reparaturbereich (4) wiederaufgebaut wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturpatch (7) mittels Handlaminierens in dem FKV-Bauteil (1) verankert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anfertigung des Reparaturpatches (7) eine numerische Analyse, vorzugsweise mittels der Methode der Finiten Elemente (FEM), hinsichtlich der vom FKV-Bauteil (1) geforderten Trageigenschaften durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturbereich (4) zur besseren Haftung zwischen alter und neuer Matrix funktionalisiert wird.
Verwendung mindestens eines Metalloxid-Halbleiters (6), vorzugsweise TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃, ZrO₂, WO₃, MoO₃, Ta₂O₅, CuO, Cu₂O, V₂O₅, Co₃O₄, CeO₂ oder Mischungen aus den vorgenannten Verbindungen, vorzugsweise in gesinterter Form, zum Aufbringen auf einen Bereich (4) eines FKV-Bauteils (1) mit einer Matrix (3) aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, wobei der besagte Bereich (4) vorzugsweise einen Reparaturbereich (4) umfassend einen Schadensbereich (5) mit zumindest geschädigter Matrix (3) und ggf. auch geschädigter oder zerstörter Faserstruktur umfasst, wobei durch Aktivierung, vorzugsweise thermischer Aktivierung, die Matrix (3) im besagten Bereich (4) an- oder aufgelöst wird.