DE102014000194A1 - Method for producing and connecting at least two fiber-reinforced components and component thereof - Google Patents

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Universitaet Bremen
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Abstract

Verfahren zum Herstellen und Verbinden von mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen, umfassend Bereitstellen von mindestens zwei Bauteilen aus Fasern, die außer in einem Verbindungsbereich in eine erste Matrix eingebettet sind und an einer Verbindungsoberfläche, nicht parallel zu selbiger orientiert oder mit nicht parallel zu selbiger orientierter Haupterstreckungsrichtung, freiliegen, Zusammenfügen der Bauteile derart, dass die freiliegenden Fasern der Bauteile zumindest teilweise überlappen, Durchtränken der Fasern in ihrem Überlappungsbereich mit einer zweiten Matrix und Aushärten der zweiten Matrix im Überlappungsbereich und Bauteil, das aus mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen gebildet ist, die über eine Fügezone miteinander verbunden sind, in der sich aus den jeweiligen Grenzflächen vom jeweiligen Bauteil und der Fügezone austretende Fasern zumindest teilweise überlappen.A method for producing and joining at least two fiber-reinforced components, comprising providing at least two components of fibers which are embedded in a first matrix except at a connection region and at a connection surface, not parallel to the same oriented or not parallel to the same oriented main extension direction, exposing, assembling the components such that the exposed fibers of the components at least partially overlap, soaking the fibers in their overlap region with a second matrix and curing the second matrix in the overlap region and component formed from at least two fiber reinforced components passing over a joint zone are interconnected, in which overlap at least partially emerging from the respective interfaces of the respective component and the joining zone fibers.

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Figure DE102014000194A1_0001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und Verbinden von mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen sowie ein Bauteil, das aus mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen gebildet ist, die über eine Fügezone miteinander verbunden sind.The present invention relates to a method for producing and connecting at least two fiber-reinforced components as well as a component which is formed from at least two fiber-reinforced components, which are interconnected via a joining zone.

Am Beispiel des Klebens von faserverstärken Kunststoffbauteilen soll das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem beschrieben werden. Das Kleben von faserverstärkten Kunststoffbauteilen stellt aufgrund einer Reihe von positiven Eigenschaften ein Fügeverfahren dar, dessen weitere Verbreitung in Anwendung wünschenswert ist. So zeichnen sich geklebte Verbindungen durch schadenstolerante Eigenschaften, Rissstopfunktion, ein geringes Gewicht der Verbindung und eine zusätzliche Abdichtungsfunktion aus und sind in Folge der flächigen Kraftübertragung als günstige Verbindung besonders für dünnwandige Compositebauteile anzusehen. Gleichzeitig haben viele klassische Klebungen, hergestellt im Verfahren des Secondary Bonding (zwei ausgehärtete Fügepartner werden mit einem zusätzlichen Adhäsivmaterial zusammengebracht, welches die Verbindung herstellt) aber auch eine Reihe von Schwachpunkten. So sind die Kennwerte der Klebung bei Belastungen, die ungleich der im Normalfall gewünschten Schublast wirken, häufig relativ gering. Auch neigen viele Kunststoffe und die adhäsive Verbindung zwischen Klebstoff und Fügepartneroberfläche bei fortgesetzten Umwelteinwirkungen zu starker Degradation, was das Anwendungsspektrum zusätzlich einschränkt. Um diesen Schwachpunkten entgegenzuwirken, werden die Klebflächen häufig vergrößert, was eine Vergrößerung der Überlappungszone und damit eine Erhöhung von Kosten und Gewicht bedeutet. Auch lassen sich einige Eigenschaften durch geeignete Oberflächen vor Behandlungsmaßnahmen (z. B. Aufrauender Oberfläche für mechanische Adhäsion und Oberflächenvergrößerung) verbessern. Alternativ werden zusätzliche Fügeelemente (auch als „Angstnieten” bekannt) zum Übertragen ungünstig angreifender Kräfte und als zusätzliche Verstärkung sowie konstruktive Verbesserungen im Bereich der Fügestelle, etwa durch Schäften der Fügepartner oder mit Hilfe von Laschen oder lokales Umfalzen, verwendet.The example of the bonding of fiber-reinforced plastic components, the problem underlying the present invention will be described. The bonding of fiber-reinforced plastic components, due to a number of positive characteristics, constitutes a joining process whose further dissemination in use is desirable. Thus, bonded connections are characterized by damage tolerant properties, crack stop function, a low weight of the connection and an additional sealing function and are to be considered as a result of the flat power transmission as a convenient connection especially for thin-walled composite components. At the same time, many classic bonds made in Secondary Bonding (two cured mating parts are combined with an additional adhesive material that makes the connection) have a number of weak points as well. Thus, the characteristic values of the bond are often relatively low for loads which are unlike the thrust load normally desired. Also, many plastics and the adhesive bond between the adhesive and the bonding partner surface tend to cause severe degradation under continued environmental conditions, which further restricts the range of applications. To counteract these weaknesses, the adhesive surfaces are often enlarged, which means an increase in the overlap zone and thus an increase in cost and weight. Also, some properties can be improved by suitable surfaces before treatment measures (eg, roughening surface for mechanical adhesion and surface enlargement). Alternatively, additional joining elements (also known as "fear rivets") are used for transferring unfavorably attacking forces and as additional reinforcement and design improvements in the area of the joint, for example by shanks of the joining partners or with the aid of tabs or local crimping.

Die beschriebenen Verfahren sind alle mit einem Mehraufwand verbunden, der sich als Gewichts- oder Kostennachteil äußert. Das wesentliche Problem der Klebverbindung, die relativ schlechten mechanischen Eigenschaften besonders bei ungünstigen Belastungsrichtungen und nach langer Auslagerung unter extremen Witterungsbedingungen, wird dadurch nicht gelöst.The described methods are all associated with an additional expense, which manifests itself as a weight or cost disadvantage. The essential problem of the adhesive bond, the relatively poor mechanical properties, especially in unfavorable load directions and after long aging under extreme weather conditions, is not solved.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die mechanischen Eigenschaften beim Fügen, insbesondere Kleben, von faserverstärkten Bauteilen zu verbessern.The present invention is therefore based on the object of improving the mechanical properties during joining, in particular bonding, of fiber-reinforced components.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen und Verbinden von mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen, umfassend

  • – Bereitstellen von mindestens zwei Bauteilen aus Fasern, die außer in einem Verbindungsbereich in eine erste Matrix eingebettet sind und an einer Verbindungsoberfläche, nicht parallel zu selbiger orientiert oder mit nicht parallel zu selbiger orientierter Haupterstreckungsrichtung, freiliegen,
  • – Zusammenfügen der Bauteile derart, dass die freiliegenden Fasern der Bauteile zumindest teilweise überlappen, insbesondere in einer Art, dass keine nicht von Fasern durchstoßene Ebene mehr zwischen den Bauteilen existiert,
  • – Durchtränken der Fasern im Verbindungsbereich mit einer zweiten Matrix und
  • – Aushärten der zweiten Matrix im Verbindungsbereich.
According to the invention, this object is achieved according to a first aspect by a method for producing and connecting at least two fiber-reinforced components, comprising
  • Providing at least two components of fibers which are embedded in a first matrix except in one connection region and are exposed on a connection surface, not oriented parallel thereto or with a main extension direction that is not parallel to the same,
  • Joining the components in such a way that the exposed fibers of the components at least partially overlap, in particular in such a way that no non-fiber-pierced plane no longer exists between the components,
  • - Soaking the fibers in the connecting region with a second matrix and
  • - Hardening of the second matrix in the connection area.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Bauteil, das aus mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen gebildet ist, die über eine Fügezone miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Fügezone aus den jeweiligen Grenzflächen vom jeweiligen Bauteil und der Fügezone austretende Fasern zumindest teilweise überlappen.Furthermore, this object is achieved by a component which is formed from at least two fiber-reinforced components, which are interconnected via a joining zone, characterized in that overlap in the joining zone from the respective boundary surfaces of the respective component and the joining zone emerging fibers at least partially.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens werden vor dem Schritt des Bereitstellens der mindestens zwei Bauteile die Bauteile getrennt hergestellt.According to a particular embodiment of the method, the components are manufactured separately prior to the step of providing the at least two components.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Bauteile hergestellt werden, indem die Fasern lediglich in einem Teilbereich mit der ersten Matrix durchtränkt werden und die erste Matrix ausgehärtet wird.In particular, it can be provided that the at least two components are produced by impregnating the fibers with the first matrix only in a partial area and curing the first matrix.

Dabei können die Fasern lediglich in einem Teilbereich mit der ersten Matrix durchtränkt werden, indem vorzugsweise vorher Füllmaterial in den Verbindungsbereich gefüllt wird.In this case, the fibers can be impregnated with the first matrix only in a partial area, by preferably filling material being previously filled into the connection area.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass vor dem Zusammenfügen der Bauteile das Füllmaterial entfernt wird.In particular, it may be provided that the filling material is removed before the components are assembled.

Alternativ können die Fasern lediglich in einem Teilbereich mit der ersten Matrix durchtränkt werden, indem vorzugsweise vorher der Verbindungsbereich mit einer dritten Matrix durchtränkt wird, die später von den Fasern entfernbar ist oder die bei einer höheren Temperatur als die erste Matrix aushärtet.Alternatively, the fibers may only be impregnated with the first matrix in a partial area, preferably by first impregnating the connecting area with a third matrix which is later removable from the fibers or which cures at a higher temperature than the first matrix.

Wiederum alternativ können die Fasern lediglich in einem Teilbereich mit der ersten Matrix durchtränkt werden, indem die Fasern im Verbindungsbereich während des Durchtränkens und vorzugsweise auch während des Aushärtens komprimiert werden.Again alternatively, the fibers may be soaked in only a portion of the first matrix by compressing the fibers in the bonding area during soaking, and preferably also during curing.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform können die mindestens zwei Bauteile hergestellt werden, indem die Fasern vollständig mit der ersten Matrix durchtränkt werden, danach die Durchtränkung in dem Verbindungsbereich rückgängig gemacht wird und die erste Matrix ausgehärtet wird.According to an alternative embodiment, the at least two components can be produced by impregnating the fibers completely with the first matrix, then reversing the impregnation in the connection region and curing the first matrix.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass durch Kühlen der ersten Matrix im Verbindungsbereich ein dortiges Aushärten derselben während des Durchtränkens oder nach dem Durchtränken verhindert wird und die Durchtränkung im Verbindungsbereich durch Entfernen der dort nicht ausgehärteten ersten Matrix rückgängig gemacht wird.In particular, it can be provided that by cooling the first matrix in the connecting region, a local curing thereof during impregnation or after soaking is prevented and the impregnation in the connection region is reversed by removing the first matrix which has not hardened there.

Wiederum alternativ können die mindestens zwei Bauteile hergestellt werden, indem die Fasern vollständig mit der ersten Matrix mit eingeschränkter Polymerisation durchtränkt, umgeformt, an eine Prepregstruktur gefügt und nachfolgend gemeinsam ausgehärtet werden.Again, alternatively, the at least two components can be made by fully impregnating the fibers with the first limited-polymerization matrix, reshaping them, adding them to a prepreg structure, and subsequently curing them together.

Insbesondere kann zur eingeschränkten Polymerisation im Verbindungsbereich eine Aushärtung thermisch unterdrückt werden.In particular, curing can be thermally suppressed in the connection region for limited polymerization.

Vorteilhafterweise werden beim Zusammenfügen der Bauteile oder vor dem Durchtränken der Fasern in ihrem Überlappungsbereich die Fasern mechanisch stabilisiert.Advantageously, the fibers are mechanically stabilized during assembly of the components or before the impregnation of the fibers in their overlap region.

Schließlich kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Fasern durch Einbringen von mindestens einem Abstandhalter oder von einem hochviskosen Klebfilm stabilisiert werden.Finally, it may be provided, in particular, that the fibers are stabilized by introducing at least one spacer or by a high-viscosity adhesive film.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung von Fasern auch in der Fügezone und insbesondere in einer ineinander greifenden Art die mechanischen Eigenschaften der Fügezone verbessert werden können.The invention is based on the surprising finding that the mechanical properties of the joining zone can be improved by the use of fibers in the joining zone and in particular in an interlocking manner.

Das Verfahren eignet sich besonders für das Kleben von faserverstärkten Bauteilen mit duromerer Matrix, ist aber mit geeigneten Modifikationen für alle faserverstärkten Materialien anwendbar.The process is particularly suitable for bonding fiber-reinforced thermoset matrix components but can be used with appropriate modifications for all fiber reinforced materials.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der zwei Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen erläutert werden. Dabei zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the appended claims and the following description in which two embodiments are explained with reference to the schematic drawings. Showing:

1 bis 5 mehrere Schritte eines Verfahrens zum Herstellen und Verbinden von zwei faserverstärkten Bauteilen gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 1 to 5 several steps of a method of manufacturing and joining two fiber reinforced components according to a particular embodiment of the present invention; and

6 bis 10 mehrere Schritte eines Verfahrens zum Herstellen und Verbinden von zwei faserverstärkten Bauteilen gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 to 10 several steps of a method for producing and joining two fiber-reinforced components according to another particular embodiment of the present invention.

Während im Stand der Technik in einer Klebschicht selbst eine Ebene bestehen bleibt, die aus reinem Klebstoff besteht, wird gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest in einer besonderen Ausführungsform diese „unverstärkte” Ebene mit Verstärkungsfasern mit einer Orientierung außerhalb dieser Ebene, d. h. mit Verstärkungsfasern, die aus der Ebene heraus orientiert sind bzw. aus dieser herauszeigen, versehen, wobei die Verstärkungsfasern in die eigentlichen Bauteile hineingreifen. Dazu sollten die Fasern entweder im Moment der Klebung unbenetzt sein oder sollte im Rahmen des Klebeprozesses eine Verschiebung des faserumschließenden Matrixmaterials erfolgen. Die getrennte Herstellung einzelner Komponenten, aus denen dann durch Fügeverfahren, wie das Kleben, eine größere Struktur hergestellt wird, ist aber im Stand der Technik häufig aus Fertigungsgründen nicht vermeidbar. An dieser Stelle setzt das erfindungsgemäße Verfahren zumindest in einer besonderen Ausführungsform nun dadurch an, dass die Imprägnierung (Tränkung)/Aushärtung der zufügenden Bauteile gezielt unvollständig erfolgt. Beispielsweise werden die Teile bzw. Verbindungsbereiche eines Bauteils, die/der später in Kontakt mit einem zweiten Bauteil (Fügepartner) stehen soll(en), gezielt entweder nicht mit dem Matrixsystem durchtränkt oder die Durchtränkung erfolgt so, dass sie lokal reversibel ist, ohne die Gesamtstruktur zu schädigen. Eine weitere Alternative ist zum Beispiel die Durchtränkung mit eingeschränkter Polymerisation, so dass ein Umformprozess anschließend möglich ist.While in the prior art, in an adhesive layer itself, a plane consisting of pure adhesive remains, according to the present invention, in at least one particular embodiment, this "unreinforced" plane is provided with reinforcing fibers with an orientation outside this plane, i. H. provided with reinforcing fibers which are oriented out of the plane or point out of this, wherein the reinforcing fibers reach into the actual components. For this purpose, the fibers should either be unwetted at the moment of bonding or, as part of the bonding process, a shift of the fiber-enclosing matrix material should take place. The separate production of individual components from which a larger structure is then produced by joining methods, such as bonding, but is often unavoidable in the art for manufacturing reasons. At this point, the method according to the invention, at least in one particular embodiment, is now based on the fact that the impregnation (impregnation) / curing of the adding components is intentionally incomplete. For example, the parts or connecting regions of a component which should later be in contact with a second component (joint partner) are either selectively impregnated with the matrix system or the impregnation is carried out in such a way that it is locally reversible, without the Damage the forest. Another alternative is, for example, the impregnation with limited polymerization, so that a forming process is subsequently possible.

Sowohl bei den 1 bis 5 als auch bei dem in den 6 bis 10 dargestellten Verfahren werden zunächst einmal trockene Fasern 12 in eine Kavität 2 in einem Werkzeug 1 gefüllt (siehe 1 als ein Beispiel). Die mit den trockenen Fasern 12 gefüllte Kavität 2 wird mit einer ersten Matrix 3 gefüllt (s. 2 bzw. 7). Dabei wird aber nur ein Teil 13 der Fasern bzw. des herzustellenden Bauteils imprägniert und dann vollständig ausgehärtet. Im späteren Verbindungsbereich 8 (s. 3 bzw. 8) wird dagegen die Imprägnierung bzw. die Aushärtung durch einen der folgenden Schritte oder eine der folgenden Schrittfolgen verhindert:

  • 1a) Lokales Kühlen verhindert die Aushärtung der ersten Matrix 3 im gekühlten Verbindungsbereich 8, so dass das im Verbindungsbereich 8 flüssige Harzsystem entfernt werden kann. Die dann freiliegenden Fasern 12 können dann – wie weiter unten beschrieben wird – zur Ausprägung der faserverstärkten Fügeschicht genutzt werden.
  • 1b) Alternativ kann das in dem Verbindungsbereich 8 vorimprägnierte Fasermaterial – in Folge zum Beispiel einer thermisch unterdrückten Aushärtung in dem Verbindungsbereich 8 – mit dem hochviskosen Harzsystem umgeformt und an andere Prepregstrukturen gefügt und in einem folgenden Arbeitsschritt gemeinsam ausgehärtet werden. Dies ist sowohl bei Prepregprozessen, klassischen Injektions- und Infusionsverfahren, aber auch beispielsweise bei Pultrusionsverfahren anwendbar.
  • 2) Lokales Befüllen mit inerten Gasen, Flüssigkeiten oder hochviskosen Dichtmassen (Platzhalter), durch welche lokal ein Bereich eines Bauteils im Injektions- oder Infusionsprozess nicht oder nur teilweise mit der ersten Matrix getränkt wird. Dadurch ergibt sich am Bauteil lokal ein Bereich (Verbindungsbereich) nicht getränkter Fasern, der in der weiteren Prozesskette zur Anbindung weiterer Strukturen geeignet ist. Je nach verwendetem Füllmaterial wird dieses während des Prozesses entweder durch Dichteunterschiede oder durch die hohe Zähflüssigkeit an Ort und Stelle gehalten.
  • 3) Lokales Imprägnieren mit einer dritten Matrix (Sekundärmatrix), die in einem weiteren Schritt nach Entformen des Werkstücks (Bauteils) wieder von den Fasern entfernt werden kann, ohne die Reststruktur zu schädigen, oder alternativ die Nutzung einer dritten Matrix (Sekundärmatrix), die bei einer höheren Temperatur aushärtet. Die lokale Imprägnierung kann dabei auch vor dem Einlegen der Fasern in die Form oder auch vor dem Injektions- oder Infusionsprozess, bei dem das eigentliche Matrixmaterial eingebracht wird, erfolgen. Das Entfernen der dritten Matrix (Sekundärmatrix) kann dabei zum Beispiel über chemische Prozesse erreicht werden. Alternativ kann das Aushärten der dritten Matrix (Sekundärmatrix) nach einem Umform- oder Fügeprozess durchgeführt werden.
  • 4) Durch lokales Klemmen oder Pressen o. ä. der trockenen Fasern (ohne Matrix) in dem späteren Verbindungsbereich mittels eines Klemmelements 5 kann die Kompaktierung stark erhöht werden, wodurch die Permeabilität im Textil soweit absinkt, dass ein Durchtränken in diesem Bereich 6 vermieden werden kann, während die niederviskose Matrix den ungeklemmten Bereich der Fasern benetzt. Nach einem Aushärteschritt liegen damit freie Faserbereiche vor, die – wie unten weiter beschrieben – für Fügeprozesse genutzt werden können.
Both at the 1 to 5 as well as in the 6 to 10 First of all, the methods described are dry fibers 12 in a cavity 2 in a tool 1 filled (see 1 for example). The ones with the dry fibers 12 filled cavity 2 comes with a first matrix 3 filled (s. 2 respectively. 7 ). But this is only a part 13 impregnated the fibers or the component to be produced and then completely cured. In the later connection area 8th (S. 3 respectively. 8th ), on the other hand, the impregnation or hardening is prevented by one of the following steps or one of the following steps:
  • 1a) Local cooling prevents the curing of the first matrix 3 in the cooled connection area 8th so that's in the connection area 8th liquid resin system can be removed. The then exposed fibers 12 can then - as will be described below - be used to express the fiber-reinforced joining layer.
  • 1b) Alternatively, this can be done in the connection area 8th Preimpregnated fiber material - in consequence, for example, a thermally suppressed curing in the connection area 8th - Formed with the high-viscosity resin system and added to other prepreg structures and cured together in a subsequent step. This is applicable both in prepreg processes, classical injection and infusion processes, but also, for example, in pultrusion processes.
  • 2) Local filling with inert gases, liquids or highly viscous sealants (placeholders), through which locally a portion of a component in the injection or infusion process is not or only partially impregnated with the first matrix. As a result, a region (connection region) of non-impregnated fibers, which is suitable for connecting further structures in the further process chain, results locally on the component. Depending on the filler used, it will be held in place during the process either by density differences or by the high viscosity.
  • 3) local impregnation with a third matrix (secondary matrix), which can be removed in a further step after removal of the workpiece (component) again from the fibers without damaging the residual structure, or alternatively the use of a third matrix (secondary matrix), the hardens at a higher temperature. The local impregnation can also take place before the fibers are inserted into the mold or else prior to the injection or infusion process in which the actual matrix material is introduced. The removal of the third matrix (secondary matrix) can be achieved, for example, via chemical processes. Alternatively, the curing of the third matrix (secondary matrix) can be carried out after a forming or joining process.
  • 4) By local clamping or pressing or the like of the dry fibers (without matrix) in the later connection area by means of a clamping member 5 the compaction can be greatly increased, whereby the permeability in the textile decreases to the extent that a soaking in this area 6 can be avoided while the low-viscosity matrix wets the unclamped area of the fibers. After a curing step, there are thus free fiber areas which, as described further below, can be used for joining processes.

2 zeigt die oben unter 1a) beschriebene Variante, während die 6 und 7 die oben unter 4) beschriebene Variante zeigen. 2 shows the variant described above under 1a), while the 6 and 7 show the variant described above under 4).

Nach Abschluss eines Entformvorganges und ggf. Entfernen der zuvor beschriebenen Platzhalter (z. B. nicht ausgehärtetes Harzsystem, Drucklust oder anderes Fluid, Sekundärmatrix) liegt dann, wie in 3 bzw. 8 gezeigt, ein Bauteil 7 vor, welches im Wesentlichen eine normale faserverstärkte Struktur ausweist, im Verbindungsbereich 8 jedoch trockene, d. h. nicht von der ersten Matrix umschlossene Fasern 12 aufweist.After completion of a demolding process and if necessary removal of the previously described placeholders (eg uncured resin system, pressure or other fluid, secondary matrix) is then, as in 3 respectively. 8th shown a component 7 which identifies substantially a normal fiber reinforced structure in the joint area 8th but dry, that is not covered by the first matrix fibers 12 having.

Die Orientierung der im Verbindungsbereich 8 befindlichen Fasern 12 ist von großer Bedeutung für die Verstärkungswirkung in der später entstehenden Klebschicht. Wenn das Ziel eine Z-Verstärkung, d. h. eine Verstärkung ist, bei der die Fasern nicht parallel zu der Ebene der Grenzschicht 14 zwischen dem Klebstoff und Fügepartner (Bauteil), sondern unter einem Winkel α ≠ 0 dazu orientiert sind, so muss diese je nach Orientierung der trockenen Fasern erst eingestellt werden. Dies kann beispielsweise durch lokales Auftrennen, d. h. Zerteilen eines teilweise von einer Matrix umschlossenen Textiles oder durch einen Bürstvorgang, bei dem einzelne Fasern lokal zerstört und aufgerichtet werden, genauso erfolgen wie beispielsweise durch Einbringen zusätzlicher Verstärkungsfasern in den nicht ausgehärteten Verbindungsbereich 8, etwa durch einen einseitigen Tufting-Prozess.The orientation of the connection area 8th located fibers 12 is of great importance for the reinforcing effect in the later resulting adhesive layer. If the target is a Z-gain, ie a gain, where the fibers are not parallel to the plane of the boundary layer 14 between the adhesive and joining partner (component), but are oriented at an angle α ≠ 0, so this has to be adjusted depending on the orientation of the dry fibers. This can be done, for example, by local separation, ie cutting a partially enclosed by a matrix textile or by a brushing process in which individual fibers are locally destroyed and erected, as well as for example by introducing additional reinforcing fibers in the uncured compound region 8th through a one-sided tufting process.

Wie in der 4 bzw. der 9 dargestellt, werden anschließend zwei derartig vorbereitete Bauteile (Fügepartner) 7, 7, die nicht unbedingt hinsichtlich der Geometrie identisch sein müssen, zueinander positioniert. Die aufgestellten Fasern 12 greifen nun zum Teil ineinander, d. h., dass es im Bereich der Fügezone bzw. Fügestelle keine Ebene gibt, die völlig faserfrei ist.Like in the 4 or the 9 Subsequently, two components prepared in this way (joining partners) 7 . 7 that are not necessarily identical in geometry, positioned to each other. The erected fibers 12 Now, some of them mesh with each other, ie there is no plane in the area of the joining zone or joint which is completely free of fibers.

Wie in der 5 bzw. in der 10 angedeutet, werden die trockenen Fasern 12 nun in einem weiteren Verarbeitungsschritt infiltriert, d. h., dass der bisher nicht von einer Matrix, wie zum Beispiel ersten Matrix oder einer zweiten Matrix, gefüllte Bereich 10 (Verbindungsbereich) durchtränkt wird. Die zweite Matrix kann sich von der ersten Matrix unterscheiden.Like in the 5 or in the 10 indicated, become the dry fibers 12 now infiltrated in a further processing step, ie, that area not previously filled by a matrix, such as a first matrix or a second matrix 10 (Connection area) is soaked. The second matrix may be different from the first matrix.

In Abhängigkeit von der Länge, Menge und Stabilität der aus den Verbindungsoberflächen 16 tragenden Fasern 12 kann es ratsam sein, diese dabei zum Beispiel durch Verwendung von im jeweiligen Bauteil verbleibenden Abstandhaltern (nicht gezeigt) zu stabilisieren. Bei sehr vielen kurzen Fasern mit annähernd senkrechter Orientierung zur Verbindungsoberfläche ist dagegen die Verwendung eines hochviskosen Klebfilms denkbar, wobei die Fasern der Bauteile (Fügepartnern) entweder während des Aushärtevorgangs durch zusätzlich eingebrachten Druck miteinander verschränkt werden können oder der Klebfilm selbst über senkrecht zu seiner Oberfläche eingebrachte Fasern verfügt, die sich bei Aufschmelzen des Films unter Druck dann mit den aus den Verbindungsoberflächen 16 der Bauteile 7, 7 hervorstehenden Fasern vermengen.Depending on the length, quantity and stability of the compound surfaces 16 carrying fibers 12 It may be advisable to stabilize them, for example, by using remaining in each component spacers (not shown). With very many short fibers with approximately perpendicular orientation to the bonding surface, however, the use of a highly viscous adhesive film is conceivable, wherein the fibers of the components (joining partners) can be entangled either during the curing process by additionally introduced pressure or the adhesive film itself introduced over perpendicular to its surface Fibers which, when the film melts under pressure then diffuse with those from the bonding surfaces 16 of the components 7 . 7 mix protruding fibers.

Wie ferner in der 5 bzw. der 10 gezeigt, ist das Produkt dann, wie im Bereich 10 abgebildet, eine Struktur mit einer Fügezone, die an den Klebstellen Fasern aufweist, welche die Grenzflächen 14 selbst durchdringen.As further in the 5 or the 10 shown, the product is then as in the field 10 shown, a structure with a joining zone, which has fibers at the splices, which are the interfaces 14 penetrate yourself.

Zusammenfassend können mit den beschriebenen Verfahren Verbindungen zwischen faserverstärkten Bauteilen hergestellt werden, die ebenfalls faserverstärkt sind. Im Gegensatz zu normalen Klebeverfahren wird dabei die Faserverstärkung senkrecht zur Ebene der Fügezone ermöglich, wodurch die bekannten guten Eigenschaften faserverstärkter Strukturen auch bei für unverstärkte Klebungen ungünstigen Lastrichtungen genutzt werden können. Die Fasern durchdringen die Grenzflächen zwischen den Fügepartner und dem Klebstoff. Dadurch können Einzelteile geringerer Komplexität in einfacherer beherrschbaren Prozessen gefertigt und dann zu hochintegralen, komplexen Strukturen zusammengefügt werden, ohne dass die Fügezone aufgrund der eingangs beschriebenen Faktoren in dem Maße als Schwachstelle fungiert, in dem dies bisher der Fall war. Zusätzliche Maßnahmen, wie etwa die Verwendung weiterer Fügeelemente, aufwendige Oberflächenvorbehandlungen, Schäftungen oder weitere konstruktive Hilfsmaßnahmen können so vermieden oder zumindest reduziert werden.In summary, connections between fiber-reinforced components which are likewise fiber-reinforced can be produced with the described methods. In contrast to normal bonding method, the fiber reinforcement is made possible perpendicular to the plane of the joining zone, whereby the known good properties of fiber reinforced structures can be used even when unfavorable for unreinforced bonding load directions. The fibers penetrate the interfaces between the joining partner and the adhesive. As a result, items of lesser complexity can be fabricated in simpler manageable processes and then assembled into highly complex, complex structures, without the joining zone acting as a weak point due to the factors described above, in which it has been the case so far. Additional measures, such as the use of further joining elements, complex surface treatments, Schäftungen or other constructive supportive measures can be avoided or at least reduced.

Mit der vorliegenden Erfindung wird zumindest in einer besonderen Ausführungsform erreicht, dass auch der Bereich der Fügezone bzw. -stelle über eine Faserverstärkung verfügt, die besonders bei für die Klebung ungünstigen Belastungen für eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften sorgt. Damit werden die hervorragenden spezifischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe auch für die Klebung selbst genutzt.With the present invention, it is achieved, at least in a particular embodiment, that the region of the joining zone or point also has a fiber reinforcement, which ensures an improvement in the mechanical properties, in particular when the stresses are unfavorable for the bonding. Thus, the outstanding specific properties of fiber-reinforced plastics are also used for the bond itself.

Die in der vorangehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the drawing and in the claims may be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
WerkzeugTool
22
Kavitätcavity
33
erste Matrixfirst matrix
55
Klemmelementclamping element
66
BereichArea
77
Bauteilcomponent
88th
Verbindungsbereichconnecting area
1010
BereichArea
1212
Fasernfibers
1313
Teilpart
1414
Grenzschichtinterface
1616
Verbindungsoberflächenconnecting surfaces
αα
Winkelangle

Claims (14)

Verfahren zum Herstellen und Verbinden von mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen (7, 7), umfassend – Bereitstellung von mindestens zwei Bauteilen (7, 7) aus Fasern (12), die außer in einem Verbindungsbereich (8) in eine erste Matrix (3) eingebettet sind und an einer Verbindungsoberfläche (16), nicht parallel zu selbiger orientiert oder mit nicht parallel zu selbiger orientierter Haupterstreckungsrichtung, freiliegen, – Zusammenfügen der Bauteile (7, 7) derart, dass die freiliegenden Fasern (12) der Bauteile zumindest teilweise überlappen, insbesondere in einer Art, dass keine nicht von Fasern durchstoßene Ebene mehr zwischen den Bauteilen existiert, – Durchtränken der Fasern (12) im Verbindungsbereich mit einer zweiten Matrix und – Aushärten der zweiten Matrix im Verbindungsbereich.Method for producing and connecting at least two fiber-reinforced components ( 7 . 7 ), comprising - providing at least two components ( 7 . 7 ) of fibers ( 12 ), which except in a connection area ( 8th ) into a first matrix ( 3 ) and at a connection surface ( 16 ), not parallel to the same oriented or with not parallel to selbiger oriented main extension direction, exposed, - Assembling of the components ( 7 . 7 ) such that the exposed fibers ( 12 ) of the components at least partially overlap, in particular in such a way that no non-fiber-pierced plane exists between the components, - soaking the fibers ( 12 ) in the connection region with a second matrix and - hardening of the second matrix in the connection region. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Bereitstellens der mindestens zwei Bauteile die Bauteile (7, 7) getrennt hergestellt werden.A method according to claim 1, characterized in that before the step of providing the at least two components, the components ( 7 . 7 ) are prepared separately. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauteile (7, 7) hergestellt werden, indem die Fasern (12) lediglich in einem Teilbereich (13) mit der ersten Matrix (3) durchtränkt werden und die erste Matrix (3) ausgehärtet wird.Method according to claim 2, characterized in that the at least two components ( 7 . 7 ) are prepared by the fibers ( 12 ) only in a subarea ( 13 ) with the first matrix ( 3 ) and the first matrix ( 3 ) is cured. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (12) lediglich in einem Teilbereich (13) mit der ersten Matrix (3) durchtränkt werden, indem vorzugsweise vorher Füllmaterial in den Verbindungsbereich gefüllt wird.Method according to claim 3, characterized in that the fibers ( 12 ) only in a subarea ( 13 ) with the first matrix ( 3 ) are preferably saturated by filling previously filling material in the connection area. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zusammenfügen der Bauteile (7, 7) das Füllmaterial entfernt wird.A method according to claim 4, characterized in that prior to assembly of the components ( 7 . 7 ) the filling material is removed. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (12) lediglich in einem Teilbereich (13) mit der ersten Matrix (3) durchtränkt werden, indem vorzugsweise vorher der Verbindungsbereich mit einer dritten Matrix durchtränkt wird, die später von den Fasern wieder entfernbar ist oder die bei einer höheren Temperatur als die erste Matrix aushärtet.Method according to claim 3, characterized in that the fibers ( 12 ) only in a subarea ( 13 ) with the first matrix ( 3 ) are impregnated by preferably before the connecting region is impregnated with a third matrix, which is later removable from the fibers or at a higher temperature than the first matrix hardens. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (12) lediglich in einem Teilbereich (13) mit der ersten Matrix (3) durchtränkt werden, indem die Fasern im Verbindungsbereich während des Durchtränkens und vorzugsweise auch während des Aushärtens komprimiert werden.Method according to claim 3, characterized in that the fibers ( 12 ) only in a subarea ( 13 ) with the first matrix ( 3 ) are impregnated by compressing the fibers in the joint area during impregnation, and preferably also during curing. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauteile (7, 7) hergestellt werden, indem die Fasern (12) vollständig mit der ersten Matrix (3) durchtränkt werden, danach die Durchtränkung in dem Verbindungsbereich rückgängig gemacht wird und die erste Matrix ausgehärtet wird.Method according to claim 2, characterized in that the at least two components ( 7 . 7 ) are prepared by the fibers ( 12 ) completely with the first matrix ( 3 ), after which the saturation in the connection area is reversed and the first matrix is cured. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kühlen der ersten Matrix (3) im Verbindungsbereich (8) ein dortiges Aushärten derselben während des Durchtränkens oder nach dem Durchtränken verhindert wird und die Durchtränkung im Verbindungsbereich (8) durch Entfernen der dort nicht ausgehärteten ersten Matrix rückgängig gemacht wird.Method according to claim 8, characterized in that by cooling the first matrix ( 3 ) in the connection area ( 8th ) a local hardening of the same during impregnation or after soaking is prevented and the impregnation in the connection area ( 8th ) is reversed by removing the uncured first matrix there. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Bauteile (7, 7) hergestellt werden, indem die Fasern (12) vollständig mit der ersten Matrix mit eingeschränkter Polymerisation durchtränkt, umgeformt, an eine Prepregstruktur gefügt und nachfolgend gemeinsam ausgehärtet werden.Method according to claim 2, characterized in that the at least two components ( 7 . 7 ) are prepared by the fibers ( 12 ) completely impregnated with the first matrix with limited polymerization, reshaped, joined to a prepreg structure and subsequently cured together. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur eingeschränkten Polymerisation im Verbindungsbereich eine Aushärtung thermisch unterdrückt wird.A method according to claim 10, characterized in that for limited polymerization in the bonding area curing is thermally suppressed. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenfügen der Bauteile oder vor dem Durchtränken der Fasern in ihrem Überlappungsbereich die Fasern mechanisch stabilisiert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fibers are mechanically stabilized during assembly of the components or before the impregnation of the fibers in their overlapping region. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern durch Einbringen von mindestens einem Abstandhalter oder von einem hochviskosen Klebefilm stabilisiert werden.A method according to claim 12, characterized in that the fibers are stabilized by introducing at least one spacer or a high-viscosity adhesive film. Bauteil, das aus mindestens zwei faserverstärkten Bauteilen (7, 7) gebildet ist, die über eine Fügezone miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Fügezone aus den jeweiligen Grenzflächen (14) vom jeweiligen Bauteil (7, 7) und der Fügezone austretende Fasern zumindest teilweise überlappen.Component consisting of at least two fiber-reinforced components ( 7 . 7 ) is formed, which are interconnected via a joining zone, characterized in that in the joining zone from the respective interfaces ( 14 ) of the respective component ( 7 . 7 ) and the joining zone emerging fibers overlap at least partially.
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