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Die Erfindung betrifft ein Bauteil, ein Verfahren zum Verarbeiten eines Bauteils, beispielsweise zum Verbinden eines Bauteils mit einem Fügepartner oder zum Versehen mit einer Beschichtung, eine Bauteileinheit und ein beschichtetes Bauteil.
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In modernen Luft- und Raumfahrzeugen werden verstärkt Bauteile bestehend aus einer Matrix, insbesondere einer Duromermatrix, und einer Vielzahl von in der Matrix eingebetteten Fasern, wie Kohlenstofffasern, eingesetzt. Die einzelnen Bauteile lassen sich grundsätzlich miteinander verkleben. Allerdings sind beispielsweise im Bereich einer Primärstruktur eines Flugzeugs Klebeverbindungen nach der AC20-107B der Federal Aviation Administration nicht zertifiziert. Gründe hierfür sind eine Anfälligkeit von Klebeverbindungen bezüglich schwankenden Prozessparameters und insbesondere einer möglichen Kontamination von Klebeflächen. Klebeverbindungen beruhen vorrangig auf dem physikalischen Effekt der Adhäsion, die sehr empfindlich gegenüber Oberflächenungenauigkeiten ist. Zum Einhalten der Erfordernisse der AC20-107B sind die einzelnen Bauteile untereinander oder an Metallflächen zusätzlich zur Klebung mittels schadensausbreitungsverhindernden Einrichtungen wie herkömmlichen Befestigungsmitteln in Form von Niete zu fügen.
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Zur Oberflächenbehandlung von Klebeflächen sind aus dem Metallbau beispielsweise Ätzverfahren bekannt, deren Wirksamkeit über individuelle Badzusammensetzungsparameter überwacht werden können. Klebeflächen von duromerbasierten Bauteilen werden herkömmlicherweise angeraut. Dies erfolgt beispielsweise mittels einem Schleifprozess oder einer Laserbehandlung. Als alternative Behandlungsmethode ist eine Plasmabehandlung oder eine Koronabehandlung der Klebeflächen bekannt.
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Aus dem europäischen Patent mit der Nummer
EP0734411B1 ist ein Verfahren zum Abbau von polycyanurathaltigen Materialien, insbesondere von Polycyanuraten, Polycyanurat-Prepolymeren und polycyanurathaltigen Kunststoffen bekannt. Polycyanurate können durch Polycyclotrimerisierung aus di- oder polyfunktionellen Cyanaten gebildet werden. Dabei wird das polycyanurathaltige Material in fein verteilter Form bereitgestellt. Dies kann zum einen dadurch geschehen, dass das Material in einem geeignetem Lösungsmittel aufgenommen wird, beispielsweise in einem cyclischen Ether, wie THF, einem chlorierten Kohlenwasserstoff, wie Methylenchlorid oder einem stickstoffhaltigen Lösungsmittel, beispielsweise Pyrrolidon oder NMP. Als Lösungsmittel kann auch die für die Aminolyse eingesetzte NH2-haltige Verbindung verwandt werden, beispielsweise Ammoniak oder primäres Amin, gegebenenfalls in kondensiertem Zustand unter Druck oder aufgeschmolzen. Durch Verwendung geeigneter Diamine oder Aminoalkohole erhält man mit dem Verfahren di- und/oder polyfunktionelle Amine und/oder Alkohole, die als Ausgangsstoffe für die Herstellung von Polyurethanen, Melaminharzen, Epoxidharzen, Polyestern, Polycarbonaten, etc. eingesetzt werden können. Anfallende di- bzw. polyfunktionelle Phenole können wieder in die entsprechenden di- bzw. polyfunktionellen Cyanate umgewandelt werden, welche als Ausgangsstoffe für neue polycyanurathaltige Materialien eingesetzt werden können, so dass von einem echten stofflichen Recycling gesprochen werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix zu schaffen, das zur Herstellung einer hochfesten Verbindung, beispielsweise einer hochfesten Verbindung mit einem Fügepartner oder einer Beschichtung, vorbereitet ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges Verfahren zur Verarbeitung eines Bauteils, insbesondere zum Verbinden eines Bauteils mit einem Fügepartner oder zum Versehen mit einer Beschichtung, eine hochbelastbare Bauteileinheit und ein beschichtetes Bauteil mit einer verbessert anhaftenden Beschichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3, durch eine Bauteileinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 und durch ein beschichtetes Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16.
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Ein erfindungsgemäßes Bauteil weist ein duromerbasiertes Matrixnetzwerk auf, das durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich eines ersten Mittels aufgeweitet und funktionalisiert ist, wobei das Matrixnetzwerk innerhalb des Einwirkbereichs mehr funktionelle Gruppen aufweist als außerhalb des Einwirkbereichs. Erfindungsgemäß ist das Bauteil lagerfähig.
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Lagerfähig“ im Sinne der Erfindung bedeutet zumindest zeitlich begrenzt stabil. Die Lagerdauer kann dabei durch entsprechende Umgebungsfaktoren wie Lagerungstemperatur beeinflusst werden. Bevorzugterweise ist das Bauteil langzeitstabil, kann beispielsweise über ein Jahr und länger gelagert werden. Mit anderen Worten, chemische und physikalische Parameter bleiben bevorzugt über einen langen Zeitraum bis hin zu Jahren stabil.
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Die Lagerfähigkeit wird durch ein Beenden der Aufweitung und Funktionalisierung im Einwirkbereich mittels des ersten Mittels eingestellt. Das Bauteil ist also nur abschnittsweise aufgeweitet und nicht vollständig. Das erste Mittel ist bevorzugterweise ein Reagenz. Die Beendigung der Aufweitung und Funktionalisierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das erste Mittel vollständig aufgebraucht ist. Alternativ kann die Beendigung durch ein Auswaschen bzw. Ausspülen und dergleichen des ersten Mittels erfolgen. Weiterhin ist es vorstellbar, das erste Mittel mittels eines in den Einwirkbereich eingebrachten Bindemittels zu binden.
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Unter einem „Bauteil“ und im Folgenden auch unter einem „Fügepartner“ im Sinne der Erfindung wird ein Bauteil über seine gesamte Verarbeitungs- bzw. Prozesskette verstanden. Somit wird als ein Bauteil sowohl ein bearbeitungsfähiges Eingangsmaterial, beispielsweise ein unausgehärtetes Halbzeug wie ein Prepreg, als auch ein Endprodukt an sich verstanden. Das Bauteil kann mit oder ohne Verstärkungsfasern ausgeführt sein. Im letzteren Fall kann das Bauteil beispielsweise als duromerbasiertes Reinharz vorliegen.
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Unter „Beschichten“ wird sowohl das Aufbringen eines formlosen Stoffes auf das Bauteils wie bei einer Lackierung, als auch das Aufbringen einer bereits bestehenden Materialschicht auf das Bauteil bzw. das Verbinden des Bauteils mit der Materialschicht verstanden. Beispielsweise kann die Beschichtung in einer Werkzeugform eingelegt sein und dann das Bauteil auf der Beschichtung aufgebaut werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind Moleküle eines zweiten Mittels in den Einwirkbereich eingedrungen, wobei durch das Eindringen eine Diffusionszone gebildet ist. Eine von der Oberfläche gemessene Tiefe kann gleich oder kleiner einer Tiefe des Einwirkbereichs sein. Die Tiefe der Diffusionszone kann jedoch nicht tiefer als die Tiefe des Einwirkbereichs sein, da nur im aufgeweiteten Matrixnetzwerk ein Eindiffundieren des zweiten Mittels erfolgt ist. Das zweite Mittel ist beispielsweise ein Verbindungsmittel und ermöglicht eine hochfeste Verbindung mit einem Fügepartner. Wenn das zweite Mittel ein Beschichtungsmittel ist, so ermöglicht es eine optimale Anbindung an dem Bauteil. Bevorzugterweise ist das Bauteil mit der Diffusionszone ebenfalls lagerfähig, wobei zur Lagerung eventuell andere Umgebungsparamter eingestellt werden müssen als beim Lagern des Bauteils im zumindest abschnittsweise aufgeweiteten und funktionalisierten Zustand.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verarbeiten eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einer duromerbasierten Matrix, beispielsweise zum Verbinden eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Fügepartner oder zum Versehen mit einer Beschichtung, wird zumindest eine Oberfläche des Bauteils einer Oberflächenbehandlung unterzogen, wobei die zumindest eine Oberfläche mit einem ersten Mittel oberflächenbehandelt wird. Das erste Mittel dringt durch die Oberfläche in einen oberflächenangrenzenden Volumenbereich des Matrixnetzwerks ein und wirkt auf die Oberfläche und in dem Volumenbereich. Durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich bzw. Prozessbereich des ersten Mittels wird eine Aufweitung und Funktionalisierung des Matrixnetzwerkes des Bauteils erreicht. Hierbei werden funktionelle Gruppen des Matrixnetzwerks gebildet, wobei das Matrixnetzwerk im Einwirkbereich nach der Oberflächenbehandlung mehr funktionelle Gruppen als vor der Oberflächenbehandlung aufweist. In einem nachfolgenden Schritt dringen durch die Oberfläche reaktive, mobile Moleküle eines vernetzenden zweiten Mittels in den Einwirkbereich ein, wobei durch das Eindringen der Moleküle des zweiten Mittels in den Einwirkbereich eine sich von der Oberfläche in den Volumenbereich hineinerstreckende Diffusionszone gebildet wird. Das zweite Mittel wird ausgehärtet, wobei beim Aushärten die Moleküle des zweiten Mittels untereinander und mit den funktionellen Gruppen in der Diffusionszone ein homogenes Netzwerk bilden.
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„Homogenes Netzwerk“ bedeutet vorrangig, dass in einer definierten und gut charakterisierbaren Härtungschemie ähnlich stabile chemische Verknüpfungen wie die des nicht vorbehandelten Matrixnetzwerkes und des Verbindungsmittels bzw. Beschichtungsmittels gebildet werden. Das homogene Netzwerk weist eine Netzwerk-Topologie auf, die zumindest ähnlich der Topologie des ursprünglichen Matrixnetzwerks des Bauteils ist und zumindest auch ähnlich der Netzwerktopologie, die durch das zweite Mittel nach Aushärten gebildet wird. Das homogene Netzwerk weist ähnlich stabile mehrfunktionelle kovalente chemische Verbindungen mit ähnlicher chemischer Struktur wie das ursprüngliche Matrixnetzwerk auf. Sämtliche relevanten bzw. nahezu sämtliche Parameter zeigen einen allmählichen bzw. schrittweisen Verlauf, so dass Parametersprünge ausgeschlossen sind. Ein sprunghafter Übergang bzw. steiler Gradient in der Diffusionszone liegt nicht vor. Sprunghafte Änderungen der Materialeigenschaften werden verhindert. Mit anderen Worten „homogen“ bedeutet, dass das Netzwerk im Wesentlichen eine einheitliche, durchgängige Matrix mit gleicher chemischer und netzwerktopologischer Struktur ohne Sprünge in Struktur und Eigenschaften aufweist.
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Der Schritt des Eindringens von Molekülen des zweiten Mittels in das abschnittsweise aufgeweitete und funktionalisierte Matrixnetzwerk des Bauteils kann sich der Aufweitung und Funktionalisierung unmittelbar anschließen. Aufgrund der Lagerfähigkeit des Bauteils mit seinem abschnittsweise aufgeweiteten und funktionalisierten Matrixnetzwerk kann die Behandlung des Bauteils mit dem zweiten Mittel jedoch auch zeitversetzt erfolgen. Das Eindringen der Moleküle des zweiten Mittels kann durch ein Überschreiten der Glasübergangstemperatur des Eiwirkungsbereiches begünstigt werden.
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Erfindungsgemäß wird das Matrixnetzwerk in der zumindest einen Oberfläche und im oberflächenangrenzenden Volumenbereich bis zu einer Eindringtiefe des ersten Mittels aufgeweitet, und gleichzeitig der Grad der Funktionalisierung erhöht. Es werden funktionelle Gruppen gebildet, die die Bildung einer gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende Kontaminationen unempfindlichen und somit hochbelastbaren Verbindung mit dem zweiten Mittel ermöglichen, da chemische und physikalische Effekte chemische kovalente Verbindungen und gegenseitige Netzwerkdurchdringung zwischen den beteiligten Partnern schaffen. Die somit erzielbare erfindungsgemäße Verbindung bzw. Anbindung basiert nicht nur auf dem rein physikalischen Effekt der Adhäsion. Es entsteht in einer Diffusionszone ein homogenes Netzwerk, das aus dem ursprünglichen Matrixnetzwerk und dem Netzwerk des Verbindungsmittels besteht, wobei durch eine Funktionalisierung des alten Matrixnetzwerks, d.h. insbesondere durch eine Aufweitung und die Bildung der funktionellen Gruppen, diese Netzwerke kovalent miteinander verbunden sind. Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Verbindung bzw. Anbindung ist derart unempfindlich gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende Kontaminationen, dass sie beispielsweise ein Fügen von duromerbasierten primären Bauteilen im Flugzeugbau ohne die Verwendung von mechanischen Befestigungsmitteln wie Niete ermöglicht. Zudem sind Langzeiteigenschaften der Verbindung, beispielsweise im Bulk, prüfbar und somit vorhersagbar.
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Die Moleküle des Verbindungsmittels bilden unter chemischer Reaktion untereinander und mit der Matrix des Bauteils ein exakt definiertes Netzwerk. Die Netzwerkaufweitung und die Bildung der funktionellen Gruppen sind dabei nicht nur in der Oberfläche selbst, sondern auch in einem oberflächennahen Volumenbereich vorzufinden, so dass die Moleküle des zweiten Mittels wie Monomere und Oligomere leicht in die Tiefe diffundieren können, wodurch die Stabilität der Verbindung erhöht wird. Das Eindringen des ersten Mittels und das Fügen des Bauteils mit dem Fügepartner oder das Beschichten des Bauteils kann durch Temperaturbeaufschlagung und/oder Druckbeaufschlagung beim Zusammenbringen bzw. Aufbringen der Beschichtung beschleunigt werden. Optimalerweise erstreckt sich die Diffusionszone über den gesamten Einwirkbereich, so dass nach Aushärtung keine freien funktionellen Gruppen existieren.
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Neben einer Aufweitung und Funktionalisierung kann durch das erste Mittel gleichzeitig ein chemischer Abtrag der Oberfläche erfolgen. Dies ist zum Beispiel bei Reparaturen vorteilhaft, da Faserlagen lokal vom Matrixnetzwerk befreit werden können und/oder lokale, chemisch anhaftende Verunreinigungen entfernt werden können, ohne dass hierzu ein separater Bearbeitungsschritt notwendig ist.
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Der Verbindungsprozess ist nach Bildung der funktionellen Gruppen durch das erste Mittel aus fertigungstechnischer Sicht einem herkömmlichen Klebeprozess ähnlich. Aus physikalischer und chemischer Sicht ist der Verbindungsmechanismus jedoch komplett unterschiedlich zu einem herkömmlichen Klebeprozess. Denn die Verbindung des zweiten Mittels mit dem Bauteil basiert vorrangig auf chemischer Bindung in der Diffusionszone und der gegenseitigen Durchdringung des aufgeweiteten Matrixnetzwerkes und des durch das zweite Mittel neugebildeten Netzwerks.
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„Vorausgehärtet“ bedeutet im Sinne der Erfindung, dass das Bauteil für eine bestimmte Zeit über seine Glasübergangstemperatur erwärmt wurde und somit bereits eine teilweise Vernetzung, beispielsweise bis zu 50%, stattgefunden hat, aber noch ausreichend reaktive Gruppen vorhanden sind. „Ausgehärtet“ bedeutet im Sinne der Erfindung „vollständig ausgehärtet“. Das heißt, das Bauteil wurde derart lange erhitzt, dass eine vollständige bzw. 100%-Vernetzung stattgefunden hat. Reaktive Gruppen liegen nicht mehr vor. „Unausgehärtet“ bedeutet, das keine Vernetzung vorliegt. Beispielhaft ist ein Prepreg genannt. „Mobil“ bedeutet, flüssig, gasförmig oder viskos oder ein Feststoff gelöst im flüssigen Lösungsmittel.
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Das erste Mittel kann zumindest eine Teilmenge eines dritten Mittels sein, das zumindest ein Zusatzmittel aufweist, welches eine zum ersten Mittel andersartige chemische Eigenschaft aufweist. Beispielsweise kann das Zusatzmittel ein Reinigungsmittel sein und eine chemische Reinigung der Oberfläche des Bauteils bewirken, so dass ein separater Reinigungsschritt der zumindest einen Oberfläche entfallen kann. Wenn das erste Mittel eine Teilmenge eines dritten Mittels ist, wird selbstredend das dritte Mittel zur Oberflächenbehandlung aufgetragen bzw. die Oberfläche des Bauteils dadurch einer Oberflächenbehandlung unterzogen, dass sie mit dem dritten Mittel behandelt wird.
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Bevorzugterweise kann zumindest eine Eindringtiefe des ersten Mittels in den Volumenbereich und/oder ein Gradient in dem Einwirkbereich über eine Zusammensetzung des dritten Mittels, eine Menge des dritten Mittels, eine Einwirkzeit und/oder eine Bearbeitungstemperatur eingestellt werden. Durch die Parameter kann das Verfahren genau definiert werden, insbesondere im Hinblick auf chemische und physikalisch-chemische Parameter, wie die chemische Zusammensetzung des dritten Mittels, insbesondere des ersten Mittels (Bestandteile und Konzentration), Temperatur und Zeit bzw. Dauer der Oberflächenbehandlung. Dies ermöglicht eine wirksame und genaue Qualitätskontrolle der Verbindung. Abweichend von physikalischen Methoden, wie einer mechanischen Zerstörungsprüfung und zerstörungsfreien Prüfungen, erlaubt die chemische Natur der Mittel eine Qualitätskontrolle nur aufgrund von chemischen und physikalisch-chemischen Parametern der Oberflächenbehandlung. Diese sind im Fertigungsprozess sehr leicht zu überwachen und gegebenenfalls in Echtzeit zu korrigieren.
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Um das Aufweiten des Matrixnetzwerks und die Bildung der funktionellen Gruppen exakt bestimmen zu können, kann eine überschüssige Menge des ersten Mittels und/oder des dritten Mittels aus dem Einwirkbereich herausgewaschen und/oder durch Trocknen entfernt werden.
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Ein Freihalten von Oberflächen, die nicht oberflächenbehandelt werden sollen und somit nicht mit dem ersten Mittel und/oder dritten Mittel versehen werden sollen, lässt sich dadurch erreichen, dass die zumindest eine Oberfläche vor der Oberflächenbehandlung gegenüber den frei zu bleibenden bzw. übrigen Oberflächen abgedichtet wird. Alternativ können die frei zu bleibenden Oberflächen maskiert werden. Beispielhafte Verfahren zum Versehen der zumindest einen Oberfläche mit dem ersten Mittel und/oder dritten Mittel sind Tauchbäder, Sprühaufträge, Streichaufträge, Bedampfungen, Pasten- und Filmauftrag und dergleichen. Beim Tauchbad ist es zum Beispiel verfahrenstechnisch günstig, wenn die nicht zu vorbehandelnden Oberflächen maskiert werden. Beim Sprühauftrag hingegen kann die Besprühung beispielsweise unter einer zur Außenumgebung abgedichteten Glocke erfolgen. Der Sprühauftrag bietet beispielsweise den Vorteil, dass das Bearbeitungsmittel während der Behandlung hinsichtlich seiner Zusammensetzung und Menge eingestellt werden kann. Alternativ kann das erste Mittel und/oder dritte Mittel durch ein Trägermaterial aufgebracht werden. Durch das Trägermaterial ist die zumindest eine Oberfläche quasi auch gegenüber den frei zu bleibenden Oberflächen abgedichtet, denn ein Zugang zur zumindest einen Oberfläche ist durch das Trägermaterial versperrt. Das Trägermaterial kann auf der zumindest einen Oberfläche angeordnet werden und bildet gleichzeitig einen verlässlichen Schutz gegen Beschädigungen und/oder Verschmutzungen. Es ist beispielsweise eine Trägerfolie, die an seiner dem Bauteil zugewandten Klebeseite mit dem ersten Mittel und/oder dritten Mittel versehen ist. Das Bauteil kann mit dem anhaftenden Trägermaterial gelagert werden und so im Falle einer Verwendung bereits zumindest einen entsprechend aktivierten Volumenbereich aufweisen. Die Oberflächenbehandlung wird also beispielsweise durch die folgenden Methoden durchgeführt:
- • Tauchbad,
- • Aufbringen des ersten Mittels und/oder dritten Mittels mittels eines Beschichtungsverfahrens, insbesondere im Sprühauftrag oder im Streichauftrag.
- • Aufbringen mittels eines Beschichtungsverfahrens, insbesondere mittels Bedampfens, und/oder
- • Aufbringen mittels eines Trägermaterials.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil ausgehärtet und der Fügepartner ist ein ausgehärtes zweites Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix, dessen Fügefläche der Oberflächenbehandlung unterzogen wird. Bevorzugterweise haben das Bauteil und der Fügepartner ein Matrixmaterial mit einer gleichen Härtungschemie. Hierdurch erfolgt nicht nur eine erfindungsgemäße Vernetzung des zweiten Mittels mit dem Bauteil, sondern auch mit dem Fügepartner, so dass sich das homogene Netzwerk über die Verbindungsebene des Bauteils und des Fügepartners in das jeweils andere Bauteile erstreckt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Fügepartner ein vorausgehärtetes zweites Bauteil, wobei zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels von unausgehärteten Bestandteilen des Matrixmaterials des Fügepartners gebildet wird. Dadurch, dass das Matrixmaterial des Fügepartners zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels stellt, kann die Menge des bereitzustellenden und separat zuzuführenden zweiten Mittels reduziert werden. Je nach dem Aushärtegrad des Fügepartners kann seine zumindest eine Fügefläche der Oberflächenbehandlung unterzogen werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Fügepartner ein unausgehärtetes zweites Bauteil, wobei zumindest eine Teilmenge des zweiten Mittels von unausgehärteten Bestandteilen des Matrixmaterials des Fügepartners gebildet wird. Hierdurch kann eventuell vollständig auf die Zuführung eines separaten zweiten Mittels verzichtet werden. Ein Beispiel für ein unausgehärtetes Bauteil ist ein Halbzeug wie ein Prepreg. Selbstverständlich kann ein Prepreg auch ein bereits vorvernetztes Halbzeug sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Fügepartner ein Metallteil, dessen zur zumindest einen Oberfläche korrespondierenden Fügefläche bevorzugterweise oberflächenvorbehandelt wird, beispielsweise in Form eines Ätzverfahrens. Durch das Ätzverfahren wird der Fügepartner im Bereich seiner zumindest einen Fügefläche derart vorbereitet, dass eine optimale Verbindung des zweiten Mittels mit dem Fügepartner erfolgt und somit eine hochfeste Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Fügepartner erzielt wird.
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Beispielhaft sind folgende Zustands- und/oder Werkstoffkombinationen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genannt:
- • Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem anderen ausgehärteten Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
- • Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem unausgehärteten Bauteil mit einer Harzmatrix ohne oder unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
- • Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem Metallteil unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
- • Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem Faser-Metall-Laminatverbund unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
- • Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem Faserbundbauteil mit thermoplastischer Matrix unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
- • Ein ausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit einem vorausgehärteten Bauteil mit einer Harzmatrix ohne oder unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
- • Ein vorausgehärtetes Bauteil mit einer duromerbasierten Matrix wird mit zumindest einem vorausgehärteten Bauteil mit einer Matrix ohne oder unter Zuhilfenahme eines zweiten Mittels gefügt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Oberflächenbehandlung mit dem ersten Mittel so vorgenommen, dass sich der Einwirkbereich nicht nur über einen oberflächennahen Volumenbereich, sondern bis zu Millimetern bzw. mehrere Faserlagen tief in das Bauteil hinein erstreckt. Damit kann mit dem erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahren auch eine makroskopische Erweichung größerer Bereiche eines Bauteils mit Duromer-Matrix erreicht werden, und bei dem nachfolgenden erfindungsgemäßen Schritt des Verbindens kann diese makroskopische Erweichung für einen Ausgleich von Toleranzen oder Spalten genutzt werden. Dieser tiefere Einwirkbereich bis hin zu Millimetern kann beispielsweise durch längere Zeiten und/oder höhere Temperaturen bei der Oberflächenbehandlung sowie durch eine größere Konzentration des ersten Mittels erreicht werden
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Beim Versehen des Bauteils mit einer Beschichtung kann es vorteilhaft sein, einen Funktionskörper in die Beschichtung zu integrieren. Wenn der Funktionskörper beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen ist, können Längenänderungen, Spannungen und drgl. des Bauteils erfasst werden. Ist der Funktionskörper beispielsweise ein Blitzschutzgitter, kann dieser verlässlich an dem Bauteil befestigt werden.
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Dabei sehen Ausführungsbeispiele vor, den zumindest einen Funktionskörper vor dem Beschichten oder beim Beschichten auf dem Bauteil im Bereich der Oberfläche zu positionieren, so dass der zumindest eine Funktionskörper in die Beschichtung eingebettet wird und somit von dieser von außen bedeckt werden kann, wodurch der zumindest eine Funktionskörper vor versehentlichen Berührungen und somit zumindest begrenzt vor Beschädigungen geschützt ist. Selbstverständlich kann die Beschichtung selbst als Funktionskörper in Form einer Funktionsschicht ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Beschichtung speziell eingefärbt sein, als Antikorrosions- oder Antihaftschicht wirken, und/oder mit Partikeln zur Erzeugung einer elektrischen oder optischen Leitfähigkeit versehen sein.
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Bevorzugterweise wird als zweites Mittel ein Mittel verwendet, das eine gleiche Härtungschemie wie ein Matrixmaterial des Bauteils und/oder Fügepartners bzw. der Beschichtung hat. Hierdurch kann eine optimale Vernetzung erzielt werden. Wenn beispielsweise die Matrix des Bauteils cyanurathaltig ist, hat das zweite Mittel bevorzugterweise eine cyanathaltige Zusammensetzung.
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Beispielhafte Stoffe für das erste Mittel sind eine Aminogruppe enthaltende chemische Verbindungen.
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Eine erfindungsgemäße Bauteileinheit mit einem Bauteil und mit einem Fügepartner ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefügt. Durch die erfolgte Funktionalisierung der Matrix des Bauteils im Bereich seiner zumindest einen Oberfläche und dem hierdurch entstehenden homogenen Netzwerk mit dem zweiten Mittel, ist die Bauteileinheit im Verbindungsbereich unempfindlich gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende Kontaminationen.
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Ein erfindungsgemäß beschichtetes Bauteil ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet. Eine derartig aufgebrachte Beschichtung zeichnet sich durch eine sehr hohe Anbindung an dem Bauteil aus.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Bauteileinheit, die ein Bauteil und einen Fügepartner aufweist, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander gefügt wurden,
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2 bis 8 ein Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielhaft erläutert an einem Matrixabschnitt des Bauteils aus 1,
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9 bis 14 Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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15 bis 19 Schritte eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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20 ein erfindungsgemäßes beschichtetes Bauteil, in dessen Beschichtung ein Funktionskörper eingebettet ist.
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In 1 ist ein aus einem Bauteil 1 und einem Fügepartner 2 mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander verbundenes bzw. eine Bauteileinheit 3 in Vorderansicht gezeigt. Die Bauteileinheit 3 ist beispielsweise ein Schalenelement eines Flugzeugrumpfes, wobei das Bauteil 1 beispielsweise ein Hautfeld und der Fügepartner beispielsweise ein Versteifungselement wie eine Längsversteifung zur Stabilisierung des Hautfeldes andeutet. Wölbungen des Hautfeldes sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
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Das Bauteil 1 hat eine duromerbasierte Matrix, beispielsweise eine cyanurathaltige Matrix, in der bevorzugterweise vereinzelt angedeutete Verstärkungsfasern 4 wie Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern und dergleichen eingebettet sind.
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Der Fügepartner 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Bauteil mit einer duromerhaltigen Matrix. Bevorzugterweise weist die Matrix des Fügepartners 2 die gleiche Werkstoffzusammensetzung wie die Matrix des Bauteils 1 auf. Demgemäß weist der Fügepartner 2 hier eine cyanurathaltige Matrix auf, in der vereinzelt angedeutete Verstärkungsfasern 6 eingebettet sind.
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In den folgenden 2 bis 8 wird ein erfindungsgemäßes Wirkprinzip zum Bilden der in 1 gezeigten Bauteileinheit 3 anhand des Bauteils 1 erläutert. Das Bauteil 1 befindet sich zum vereinfachten Verständnis des Wirkprinzips im ausgehärteten Zustand, das heißt, das Bauteil 1 wurde vollständig ausgehärtet. Reaktive Gruppen liegen nicht mehr vor.
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2 zeigt einen Schnitt durch das Bauteil 1 im Bereich einer Oberfläche 8. Die Oberfläche 8 begrenzt oberflächig einen Volumenbereich 10 des Bauteils 1 und dient zur Anordnung des in den 2 bis 8 nicht gezeigten Fügepartners 2 mit einer korrespondierenden Fügefläche 11 (siehe 1). Die Oberfläche 8 zählt zum Volumenbereich 10 und ist somit vom Begriff „Volumenbereich“ umfasst. Wie in der Schnittansicht zu erkennen, wird das Bauteil 1 und somit auch der Volumenbereich 10 von einem Matrixnetzwerk 12 durchsetzt, das von multifunktionellen Verknüpfungen 14 gebildet ist. In diesem konkreten Ausführungsbeispiel wird das Matrixnetzwerk 12 von trifunktionellen Vernetzungsstellen gebildet.
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In 3 erfolgt die Oberflächenbehandlung der Oberfläche 8 mit einem mobilen Mittel, in dem ein erstes Mittel 16 enthalten ist. Im Folgenden wird das erste Mittel als Reagenz und das das Reagenz enthaltende Mittel als Bearbeitungsmittel bzw. dritte Mittel bezeichnet. Das Reagenz 16 bildet eine Teilmenge des Bearbeitungsmittels. Eine weitere Teilmenge des Bearbeitungsmittels kann beispielsweise ein Reinigungsmittel zur chemischen Reinigung der Oberfläche 8 sein. Das Auftragen des Bearbeitungsmittels und somit des Reagenz 16 erfolgt beispielsweise im Rahmen eines Tauchbades 18, bei dem nicht mit dem Reagenz 16 zu versehene sonstige bzw. übrige Oberflächen des Bauteils 1 maskiert sind, um eine Behandlung auf die Oberfläche 8 zu begrenzen (siehe 1, 10 und 11 bzw. 1, 15 und 16). Das Reagenz 16 ist hier in Form von difunktionellen Molekülen bildlich dargestellt. Sonstige Teilmengen des Bearbeitungsmittels wie das beispielhafte Reinigungsmittel sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Alternativ kann das Reagenz 16 auch andersartige Moleküle, auch in Kombination mit difunktionellen Molekülen, wie höherfunktionelle oder teilweise monofunktionelle Moleküle aufweisen. Zu Beginn der Oberflächenbehandlung, also zur Zeit t1 = 0, hat das Reagenz 16 noch nicht auf die Oberfläche 8 gewirkt und ist somit noch nicht in den Volumenbereich 10 des Bauteils 1 eingedrungen.
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In 4 ist gezeigt, wie das Reagenz 16 nach einer Zeit t1 > 0 in das Matrixnetzwerk 12 eindringt. Die Moleküle des Reagenz 16 diffundieren in das Matrixnetzwerk 12 ein und weiten dabei das Matrixnetzwerk 12 bis zu ihrer Eindringtiefe s auf. Hierbei trennen sie zumindest einige der Verknüpfungen 14 auf und setzen sich an dieser Stelle in Netzwerkknotenpunke 24 hinein. Das Matrixnetzwerk 12 wird somit im Einwirkbereich 22 des Reagenz 16 einschließlich in der Oberfläche 8 funktionalisiert, wobei an den Netzwerkknotenpunkten 24, deren Verknüpfungen 14 aufgebrochen sind, funktionelle Gruppen 26 gebildet werden. Es erfolgt also eine Substitutionsreaktion. Die physikalische Diffusion und die chemische Reaktion (Auftrennen zumindest einiger der Verknüpfungen 14 und Festsetzen an den Netzwerknotenpunkten 24) laufen gleichzeitig ab, so dass das Matrixnetzwerk 12 bereichsweise schon funktionalisiert ist, wohingegen es noch einige unreagierte Moleküle 28 des Reagenz 16 im Einwirkbereich 22 gibt. Gleichzeitig wird die Verbindungfläche 8 durch das beispielhafte Reinigungsmittel in dem Bearbeitungsmittel chemisch gereinigt bzw. makroskopisch in ihrer Tiefe abgetragen.
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5 zeigt den Zustand, nach durchgeführter Oberflächenbehandlung. Das Bauteil 1 mit dem abschnittsweise aufgeweiteten und funktionalisierten Matrixnetzwerk 12 ist in diesem Zustand lagerfähig, so dass sich ein nachfolgender Bearbeitungsschritt nicht unmittelbar anschließen muss. Das Bauteil 1 ist zumindest über einen gewissen Zeitraum und bevorzugterweise über einen längeren Zeitraum, beispielsweise über einen Zeitraum länger als ein Jahr, chemisch stabil. In dem Matrixnetzwerk 12 befinden sich keine unreagierten Moleküle 24 des Reagenz 16. Sämtliche Moleküle des Reagenz 16 haben mit dem Matrixnetzwerk 12 bis zur Eindringtiefe s des Reagenz 16 bzw. im Einwirkbereich 22 reagiert und funktionelle Gruppen 26 gebildet oder wurden beispielsweise mittels einer Waschung aus dem Matrixnetzwerk 12 entfernt. Es ist jedoch grundsätzlich für das Wirkprinzip unschädlich, wenn nicht alle unreagierten Moleküle 28 aus dem Matrixnetzwerk 12 entfernt sind.
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Die Eindringtiefe s des Reagenz 16 bzw. dessen Moleküle, gemessen senkrecht von der Oberfläche 8 in das Bauteil 1 hinein, und somit die Tiefe, bis zu der das Bauteil 1 im Volumenbereich 10 funktionalisiert ist, sowie ein Gradient dieses funktionalisierten Bereichs bezüglich Funktionalisierung und Netzwerkaufweitung hängt im Wesentlichen von einer jeweiligen Bearbeitungsmittelzusammensetzung, einer Bearbeitungsmittelmenge und somit einer Reagenzzusammensetzung (Bestandteile und Konzentration) und einer Reagenzmenge, der Einwirkzeit t1 und einer Bearbeitungstemperatur T1 ab.
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In 6 ist ein Auftrag eines zweiten Mittels 30 auf die Oberfläche 8 zum Verbinden des Bauteils 1 mit dem Fügepartner 2 zum Zeitpunkt t2 = 0 gezeigt. Im Folgenden wird zu den 3 bis 19 das zweite Mittel 30 als Verbindungsmittel bezeichnet. Dieser sich der Aufweitung und der Funktionalisierung anschließende Bearbeitungsschritt kann, wie zu 5 beschrieben, aufgrund der Lagerfähigkeit des Bauteils 1 zeitlich versetzt erfolgen. Er kann sich jedoch auch unmittelbar der Aufweitung und Funktionalisierung anschließen. Das Verbindungsmittel 30 ist noch nicht in das aufgeweitete Matrixnetzwerk 12 bzw. in den Einwirkbereich 22 eingedrungen. Das Verbindungsmittel 30 ist quasi ein Klebstoff und weist in diesem Ausführungsbeispiel difunktionelle Moleküle auf, kann jedoch, auch in Kombination mit difunktionellen Molekülen, höherfunktionelle oder teilweise monofunktionelle Moleküle aufweisen.
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7 zeigt ein Eindringen der Moleküle des Verbindungsmittels 30 bzw. eine physikalische Diffusion der Moleküle in den Einwirkbereich 22 zur Zeit t2 > 0. Eine Aushärtung des Verbindungsmittels 30 erfolgt im Wesentlichen erst nach dem Eindiffundieren. Dabei wird es bevorzugt, wenn das Verbindungsmittel 30 vollständig in den Einwirkbereich 22 eindringt bzw. in diesen hineindiffundiert.
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In 8 ist der Endzustand nach der Aushärtung gezeigt. Bei der Aushärtung bzw. Härtreaktion reagieren die Moleküle des Verbindungsmittels 30 sowohl miteinander und bilden somit chemische Verbindungen 31, als auch mit den funktionellen Gruppen 26 des Matrixnetzwerks 6 und bilden mit diesen ebenfalls chemische kovalente Verbindungen 32. Es entsteht ein homogenes Netzwerk 33 das aus dem ursprünglichen Matrixnetzwerk 12 und dem Netzwerk 34 des Verbindungsmittels 30 besteht, wobei durch eine Funktionalisierung und Aufweitung des alten Matrixnetzwerks 12 diese beiden Netzwerke 12, 34 kovalent zum gemeinsamen homogenen Netzwerk 33 miteinander verbunden sind. Die Bildung des homogenen Netzwerks 33 erfolgt dabei nicht nur oberflächig nahe der Oberfläche 8, sondern kann bis zur Eindringtiefe s erfolgen.
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Bei vollständigem Eindringen des Verbindungsmittels in den Einwirkbereich 22 entstehen drei Zonen: Eine obere Verbindungsmittelzone 36, eine mittlere Diffusions- bzw. Interdiffusionszone 38 und eine untere ursprüngliche Zone 40. In der Verbindungsmittelzone 36 haben sich die Moleküle des Verbindungsmittels 30 untereinander zum Netzwerk 34 verbunden. In der Diffusionszone 38, die sich von der Oberfläche 8 einschließlich dieser bis zur Eindringtiefe s erstreckt und somit vor dem Eindringen der Verbindungsmoleküle den Einwirkbereich 22 darstellte (siehe 4 bis 7), erfolgte mittels des Reagenz 16 eine Funktionalisierung und Aufweitung des Matrixnetzwerks 12 und hierdurch die Bildung des homogenen Metzwerks 33, das sowohl die kovalenten Verbindungen 32 mit dem Verbindungsmittelnetzwerk 34 als auch die Verbindungen 31 der Verbindungsmoleküle untereinander aufweist. In der ursprünglichen Zone 40, die sich von der Diffusionszone 38 ins Bauteil 1 hineinerstreckt, besteht weiterhin das Matrixnetzwerk 12 im nicht funktionalisierten Zustand und somit im nicht aufgeweiteten Ursprungszustand wie vor der Oberflächenbehandlung.
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Das homogene Netzwerk 33 stellt zudem aufgrund seiner Verknüpfungen des Matrixnetzwerks 12 mit dem Verbindungsmittelnetzwerk 34 eine homogene Verbindung zwischen dem ausschließlichen Verbindungsmittelnetzwerk 34 in der Verbindungszone 36 und dem ausschließlichen Matrixnetzwerk 12 in der ursprünglichen Zone 40 her. Das Matrixnetzwerk 12 und das Verbindungsmittelnetzwerk 34 und somit auch das homogene Netzwerk weisen gleiche bzw. sehr ähnlich stabile mehrfunktionelle kovalente chemische Verbindungen mit ähnlicher chemischer Struktur auf, so dass als Ergebnis eine Verbindung geschaffen ist, in der sprunghafte Änderungen der Materialeigenschaften verhindert werden.
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In der Diffusionszone 38 reagiert das Verbindungsmittels 30 zum einen mit sich selbst, bildet also das eigene Verbindungsmittelnetzwerk 31, und es reagiert zum anderen kovalent mit den funktionellen Gruppen 26 des funktionalisierten und aufgeweiteten Matrixnetzwerks 12. Damit entsteht sowohl eine netzwerktopologische Durchdringung beider Netzwerke 12, 34 (also des neugeschaffenen Netzwerks 34 des Verbindungsmittels 30 und des funktionalisierten und aufgeweiteten Matrixnetzwerks 12), als auch eine chemische, d.h. kovalente Verbindung 32 beider Netzwerke 12, 34 zum homogenen Netzwerk 33. Somit ist also eine physikalische und eine chemische Durchdringung geschaffen worden.
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In den 9 bis 14 wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzielen einer in den 2 bis 8 beschriebenen Verbindung bzw. zur Schaffung der in 1 gezeigten Bauteileinheit 3 schrittweise erläutert.
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Wie in 9 skizziert und vorerläutert, hat das Bauteil 1 bei diesem Ausführungsbeispiel eine ausgehärtete Kunststoffmatrix, insbesondere eine cyanuratbasierte Harzmatrix. In der Kunststoffmatrix sind Verstärkungsfasern 4, beispielsweise Kohlenstofffasern eingebettet. Der Fügepartner 2 ist ebenfalls hier ein Bauteil mit einer ausgehärteten Kunststoffmatrix, insbesondere einer cyanurathaltigen Harzmatrix, in der Verstärkungsfasern 6 eingebettet sind.
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Nach dem Bereitstellen des Bauteils 1 und des Fügepartners 2 wird die zumindest eine Oberfläche 8 des Bauteils 1 und die zumindest eine Fügefläche 11 des Fügepartners 2 einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um die Oberfläche 8 und die Fügefläche 11 mit dem Bearbeitungsmittel und somit mit dem Reagenz 16 und dem hier beispielhaften Reinigungsmittel zu versehen. Gemäß den 10 und 11 ist diese in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Tauchbadbehandlung. Das Bauteile 1 und der Fügepartner 2 werden in ein Tauchbad 18 für eine vorbestimmte Einwirkzeit t1 eingetaucht. Das Tauchbad 18 enthält das Bearbeitungsmittel mit dem auf eine bestimmte Temperatur T1 und Zusammensetzung eingestellte Reagenz 16, wobei zur Vermeidung eines Einwirkens des Reagenz 16 auf frei zu bleibenden Oberflächen diese in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel maskiert sind (siehe 9).
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Nach dem Ablauf der Einwirkzeit t1 werden das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 dem Tauchbad 18 entnommen und, wenn notwendig, getrocknet bzw. von überschüssigen Bearbeitungsmittel und somit vom überschüssigen Reagenz 16 befreit. Zudem wird die Maskierung von den Oberflächen entfernt. Das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 sind nun in ihren von der Oberfläche 8 bzw. der Fügefläche 11 oberflächig begrenzten Einwirkbereich 22 einschließlich der Oberfläche 8 funktionalisiert. Ihre Matrixnetzwerke 12 sind, wie in den 3 bis 5 beschrieben, bis zur Eindringtiefe s aufgeweitet und mit funktionellen Gruppen 26 versehen.
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Wie in 12 gezeigt, wird nach der Oberflächenbehandlung das Verbindungsmittel 30 auf die die Oberfläche 8 und/oder die Fügefläche 11 aufgetragen. Wie vorerwähnt zu den 5 und 6 kann das Auftragen des Verbindungsmittels 30 unmittelbar in Anschluss an die Aufweitung und Funktionalisierung erfolgen, aufgrund der Lagerfähigkeit des oberflächenbehandelten Bauteils 1 kann die Behandlung mit dem Verbindungsmittel 30 jedoch auch zeitversetzt erfolgen. Das Verbindungsmittel 30 weist wie vorbeschrieben bevorzugterweise die gleiche Materialzusammensetzung wie das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 auf und ist somit in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel bevorzugterweise ebenfalls cyanathaltig.
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Nach dem Auftragen des Verbindungsmittels 30 wird, wie in 13 angedeutet, der Fügepartner 2 mit seiner Fügefläche 11 zum Bauteil 1 positioniert. Zwischen dem Bauteil 1 und dem Fügepartner 2 ist das Verbindungsmittel 30 angeordnet, dass einen Kontakt zwischen der Oberfläche 8 und der Fügefläche 11 herstellt.
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Abschließend werden gemäß 14 das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 unter Temperaturbeaufschlagung für eine bestimmte Zeit zusammengepresst (T2, t2, p). Das Verbindungsmittel 30 diffundiert in das jeweils aufgeweitete Matrixnetzwerk 12 des Bauteils 1 und des Fügepartners 2 hinein und härtet unter Bildung des homogenen Netzwerks 33 in der Diffusionszone 38 (siehe 8) aus. Das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 sind nun unempfindlich gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende Kontaminationen miteinander zur Bauteileinheit 3 verbunden.
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In den 15 bis 18 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach den 9 bis 14 wird der Fügepartner 2 hier von einem unausgehärteten mit einem Kunststoffharz vorimpregnierten Faserhalbzeug (Prepreg) gebildet, das entsprechende Verstärkungsfasern 6 aufweist. Wie in den 15 bis 17 skizziert, entfällt daher die Oberflächenbehandlung einer Fügefläche 11 des Fügepartners 2. Lediglich eine Oberfläche 8 des ausgehärteten Bauteils 1 wird der Oberflächenbehandlung, hier ebenfalls in Form eines Tauchbades 18, zum Versehen der Oberfläche 8 mit dem Reagenz 16 unterzogen.
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Wie in 18 gezeigt, wird der Fügepartner 2 nach der Oberflächenvorbehandlung der Oberfläche 8 des Bauteils 1 mit seiner Fügefläche 11 direkt auf der Oberfläche 8 positioniert. Wie vorerwähnt zu den 5 und 6 kann das Zusammenbringen mit dem Fügepartner 2 unmittelbar in Anschluss an die Aufweitung und Funktionalisierung erfolgen, aufgrund der Lagerfähigkeit des oberflächenbehandelten Bauteils 1 kann die Behandlung mit dem Verbindungsmittel 30 jedoch auch zeitversetzt erfolgen. Das Verbindungsmittel 30 wird vom unausgehärteten Matrixmaterial des Fügepartners 2 gebildet und somit vom Matrixmaterial des Fügepartners 2 bereitgestellt. Der Auftrag eines separaten Verbindungsmittels 30 wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel nach den 9 bis 13 entfällt hier. Allerdings kann bei Bedarf auch noch ein separates Verbindungsmittel 30 zumindest teilweise zugeführt werden, so dass das Verbindungsmittel 30 teilweise von unausgehärten Bestandteilen des Matrixmaterials des Fügepartners 2 gebildet wird.
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Abschließend werden gemäß 19 das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 unter Temperaturbeaufschlagung für eine bestimmte Zeit zusammengepresst (T2, t2, p). Das Matrixmaterial des Fügepartners 2 diffundiert zum Teil in das aufgeweitete Matrixnetzwerk 12 des Bauteils 1 bzw. Einwirkbereich 22 des Reagenz 16 hinein und härtet unter Bildung des homogenen Netzwerks 33 in der Diffusionszone 38 (siehe 8) aus. Gleichzeitig härtet der Fügepartner 2 an sich aus. Das Bauteil 1 und der Fügepartner 2 sind nun unempfindlich gegen adhesionsverhindernde und festigkeitsreduzierende Kontaminationen und somit hochbelastbar miteinander zur Bauteileinheit 3 verbunden.
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In 20 ist ein Bauteil 1 gezeigt, das zumindest an einer Oberfläche 8 mit einer Beschichtung 42 versehen ist, in der ein Funktionskörper 44 eingebettet ist.
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Das Bauteil 1 hat eine duromerbasierte Matrix, beispielsweise eine cyanurathaltige Matrix, in der bevorzugterweise vereinzelt angedeutete Verstärkungsfasern 4 wie Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern und dergleichen eingebettet sind.
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Der Funktionskörper 44 ist hier beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen zum Erfassen von Längenänderungen des Bauteils 1. Er ist direkt auf der Oberfläche 8 des Bauteils 1 angeordnet und in die Beschichtung 42 integriert bzw. von dieser umschlossen. Sonstige Funktionskörper 44 sind beispielsweise Signal- und/oder Stromführungen, Antennen. Ebenso können Funktionsschichten wie Blitzschutzmittel in die Beschichtung 42 integriert sein.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Versehen des Bauteils 1 mit einer Beschichtung 42 wird die Oberfläche 8 des Bauteils 1 einer in den 1 bis 19 beschriebenen Oberflächenbehandlung unterzogen. Die Oberfläche 8 wird mit einem Mittel bzw. Bearbeitungsmittel oberflächenbehandelt, das zumindest ein erstes Mittel bzw. Reagenz 16 enthält, welches durch die Oberfläche 8 in einen oberflächenangrenzenden Volumenbereich 10 des Matrixnetzwerks 12 eindringt und auf die Oberfläche 8 und in dem Volumenbereich 10 wirkt. Dabei erfolgt durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich eine Aufweitung und Funktionalisierung des Matrixnetzwerkes 12. Es werden funktionelle Gruppen 26 des Matrixnetzwerks 12 gebildet werden, so dass das Matrixnetzwerk 12 im Einwirkbereich 22 nach der Oberflächenbehandlung mehr funktionelle Gruppen 26 aufweist als vor der Oberflächenbehandlung. Beim nachfolgenden Auftragen der Beschichtung 42 dringen reaktive, mobile Moleküle eines zweiten Mittels in den Einwirkbereich ein, das hier ein Beschichtungsmittel ist. Das Auftragen des Beschichtungsmittels 30 kann unmittelbar in Anschluss an die Aufweitung und Funktionalisierung erfolgen, aufgrund der Lagerfähigkeit des oberflächenbehandelten Bauteils 1 kann das Auftragen des Beschichtungsmittels 30 jedoch auch zeitversetzt erfolgen. Durch das Eindringen der Beschichtungsmittelmoleküle in den Einwirkbereich 22 wird eine sich von der Oberfläche 8 in den Volumenbereich 10 hineinerstreckende Diffusionszone 38 gebildet. Dabei bilden die Beschichtungsmittelmoleküle untereinander und mit den funktionellen Gruppen 26 in der Diffusionszone 38 beim Aushärten des Verbindungsmittels 30 bzw. der Beschichtung ein homogenes Netzwerk 33. Vor oder bei dem Beschichten wird der Funktionskörper 44 auf der Oberfläche 8 positioniert und hierdurch in die Beschichtung 42 eingebettet.
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Offenbart sind ein Bauteil mit einem Duromer-Matrixnetzwerk, das durch eine chemische Substitutionsreaktion im Einwirkbereich eines ersten Mittels, beispielsweise ein Reagenz, aufgeweitet und funktionalisiert ist, wobei das Matrixnetzwerk innerhalb des Einwirkbereichs mehr funktionelle Gruppen aufweist als außerhalb des Einwirkbereichs, und wobei das Bauteil lagerfähig ist, ein Verfahren zur Verarbeitung eines derartigen Bauteils, wobei beim Aushärten eines zweiten Mittels, beispielsweise ein Verbindungsmittel oder ein Beschichtungsmittel, Moleküle des zweiten Mittels untereinander und mit funktionellen Gruppen des Bauteils in einer Diffusionszone ein homogenes Netzwerk bilden, eine Bauteileinheit sowie ein beschichtetes Bauteil.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Fügepartner / zweites Bauteil
- 3
- Bauteileinheit
- 4
- Verstärkungsfaser
- 6
- Verstärkungsfaser
- 8
- Oberfläche
- 10
- Volumenbereich
- 11
- Fügefläche
- 12
- Matrixnetzwerk
- 14
- Verknüpfung
- 16
- erstes Mittel / Reagenz
- 18
- Tauchbad
- 22
- Einwirkbereich
- 24
- Netzwerkknotenpunkt
- 26
- funktionelle Gruppe
- 28
- unreagierte Moleküle
- 30
- zweites Mittel / Verbindungsmittel
- 31
- Verbindungen der Moleküle des zweiten Mittels untereinander
- 32
- Verbindungen der Moleküle des zweiten Mittels mit den funktionellen Gruppen
- 33
- homogenes Netzwerk
- 34
- Netzwerk des zweiten Mittels
- 36
- Verbindungsmittelzone
- 38
- Diffusionszone
- 40
- ursprüngliche Zone
- 42
- Beschichtung
- 44
- Funktionskörper
- s
- Eindringtiefe
- t1
- Einwirkzeit Oberflächenbehandlung
- t2
- Dauer der Druck- und Temperaturbeaufschlagung zum Aushärten
- T1
- Temperatur Oberflächenbehandlung
- T2
- Temperatur zum Aushärten
- p
- Druck zum Aushärten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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