DE102014111176A1

DE102014111176A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles und Faserverbundteil

Info

Publication number: DE102014111176A1
Application number: DE102014111176.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Ahlborn; Frieder Heieck
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2034-08-07
Also published as: DE102014111176B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1) zur Herstellung eines Faserverbundteils (2) und ein Faserverbundteil (2) aus einem Faserformteil (3), zumindest einem Einlegeteil (6) und einer fließfähigen, aushärtbaren Matrixkomponente (4), wobei das Fasermaterial (3) und das Einlegeteil (6) in eine Werkzeugform eingelegt werden und in das Fasermaterial (3) die Matrixkomponente (4) injiziert wird und anschließend während eines Aushärtevorgangs der Matrixkomponente (4) aus dem Fasermaterial (3), dem Einlegeteil (6, 6a) und der Matrixkomponente (4) ein Kompositmaterials (5) gebildet wird. Um die Anbindung des Einlegeteils (6) an das Kompositmaterial (5) mit geringem Verfahrensaufwand zu erzielen beziehungsweise bei Hinterschnitten überhaupt zu ermöglichen, wird in einen Fügespalt (9) zwischen einer Fügefläche (7) des zumindest einen Einlegeteils (6) und dem Fasermaterial (3) vor dem Einlegen in die Werkzeugform Klebstoff eingebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundteils und ein Faserverbundteil aus Fasermaterial, zumindest einem Einlegeteil und einer fließfähigen, aushärtbaren Matrixkomponente, wobei in das Fasermaterial die Matrixkomponente injiziert wird und während eines Aushärtevorgangs der Matrixkomponente aus dem Fasermaterial, dem zumindest einen Einlegeteil und der Matrixkomponente ein Kompositmaterial gebildet wird.
Faserverbundteile werden als Alternativmaterialien zu Metallteilen aufgrund ihrer einfachen Fertigung, einer einfachen Formgestaltung, ihres geringeren spezifischen Gewichts und dergleichen beispielsweise im Leichtbau, Fahrzeug- und Flugzeugbau, Windkraftanlagen und dergleichen eingesetzt. Diese sind aus Fasermaterial, beispielsweise vorgeformten Faserformteilen (Preform) und einer fließfähigen, aushärtbaren Matrixkomponente, beispielsweise Harz gebildet. Zu deren Herstellung werden bekannte Harzeinbringungssverfahren, beispielsweise Resin Transfer Moulding (RTM), Vacuum Assisted Process (VAP), Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI) oder dergleichen angewendet. Beispielsweise wird bei einem RTM-Prozess in eine Werkzeugform wie Gießform oder Injektionsform die Matrixkomponente in das Fasermaterial injiziert und in einem anschließenden Aushärtevorgang beispielsweise mittels thermischer Behandlung ausgehärtet. Hierdurch erhält das Faserverbundteil seine endgültige Form und Festigkeit.
Zur zusätzlichen Festigkeit, Bereitstellung von zusätzlichen Funktionen wie Anbindung an andere Bauteile und Bauteilgruppen kann das Faserverbundteil mit einem oder mehreren Einlegeteilen, beispielsweise Inserts oder dergleichen versehen werden. Derartige Einlegeteile werden zusammen mit dem Fasermaterial zumindest teilweise von der Matrixkomponente umgossen und damit in das Faserverbundteil integriert. Die Qualität der adhäsiven Verbindung zwischen Matrixkomponente und Einlegeteil ist aufgrund der speziellen Eigenschaften der Matrixkomponenten und der Einlegeteile beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung eines Faserverbundteils insbesondere mit einer verbesserten Anbindung eines Einlegeteils gegenüber der Matrixkomponente und dem Fasermaterial sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserverbundteils.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens des Anspruchs 1 und den Gegenstand des Anspruchs 8 gelöst. Die von diesen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens des Anspruchs 1 und des Gegenstands des Anspruchs 8 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Herstellung eines Faserverbundteils bestehend aus Fasermaterial, zumindest einem Einlegeteil und einer fließfähigen, aushärtbaren Matrixkomponente, beispielsweise in Form eines RTM-, VAP-, VARI- oder ähnlichen Verfahrens. Nachfolgend wird das zumindest eine Einlegeteil im Singular beschrieben. Hierdurch sind jeweils auch mehrere Einlegeteile umfasst, die nicht notwendigerweise vollständig von der Matrixkomponente umschlossen sein müssen. In dem vorgeschlagenen Verfahren werden das Fasermaterial und das Einlegeteil in eine Werkzeugform, beispielsweise eine Gieß- oder Injektionsform eingelegt oder in einen Vakuumsack eingebracht und eine Matrixkomponente eingebracht. Nach der Einbringung, beispielsweise Injektion unter Druck oder zumindest Schwerkraft oder Einsaugung unter Unterdruck wird die Matrixkomponente während eines Aushärtevorgangs ausgehärtet und in einem gegebenenfalls nachfolgenden Tempervorgang behandelt.
Zur Verbesserung der Haftung des Einlegeteils gegenüber dem aus Matrixkomponente und Fasermaterial gebildeten Kompositmaterial wird vor dem Einlegen des Einlegeteils in die Werkzeugform oder vor dem Einbetten des Einlegeteils in eine sogenannte Preform aus Fasermaterial in einen Fügespalt zwischen einer Fügefläche des Einlegeteils und des Fasermaterials Klebstoff, beispielsweise in Form einer Klebstoffschicht eingebracht. Beispielsweise wird der Klebstoff vor dem Einbringen des Einlegeteils in oder auf das Fasermaterial auf für die Verklebung relevante Flächen des Einlegeteils in Form eines Filmklebers, eines pastösen Klebstoffs oder dergleichen aufgebracht. Der nach oder während der Matrixhärtung aktivierte, das heißt, seine adhäsive Wirkung zwischen Einlegeteil und Kompositmaterial entfaltende Klebstoff erspart ein nachträgliches Fügen eines Einlegeteils mit dem Kompositmaterial, so dass ein nachträgliches Verkleben eines Einlegeteils mit dem Kompositmaterial entfällt beziehungsweise erst ermöglicht wird, wenn ein Einlegeteil einen Hinterschnitt gegenüber dem ausgehärteten Kompositmaterial aufweist. Desweiteren verbessert die Klebstoffschicht die strukturelle, kraftübertragbare Verbindung zwischen Einlegeteil und Kompositmaterial. Weiterhin wird eine aufgrund von elektrochemischen Potentialunterschieden zwischen einem Einlegeteil aus Metall und dem Kompositmaterial resultierende Kontaktkorrosion vermieden.
Das Einlegeteil kann aus sich gegenüber dem Kompositmaterial unterscheidenden Werkstoffen ausgebildet sein. Beispielsweise können diese Werkstoffe eine gegenüber dem Kompositmaterial höhere Temperaturresistenz, höhere mechanische Festigkeit und dergleichen aufweisenden. Beispielsweise können dies thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe, verstärkte Kunststoffen, Keramik oder Metall, beispielsweise Stahl, Leichtmetallen und deren Legierungen sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Klebstoff in einem inaktiven Zustand, das heißt mit bei Anwendungsbedingungen nicht oder vernachlässigbaren adhäsiven Eigenschaften haftend auf das Einlegeteil aufgebracht werden. Beispielsweise kann der inaktive Klebstoff plattenweise fliegend in den Fügespalt zwischen dem Fasermaterial und dem Einlegeteil beispielsweise in Form konfektionierter Platten oder dergleichen eingebracht werden, pastös oder angedickt auf die Fügefläche des Einlegeteils aufgetragen oder als Klebefilm haftend auf das Einlegeteil aufgebracht werden.
Das Fasermaterial kann beispielsweise lagenweise aufgebaut sein, wobei einzelne Lagen bezogen auf die Faserrichtung übereinstimmend oder in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sein können. Die einzelnen Fasern des Fasermaterials können bevorzugt in eine Richtung angeordnet sein oder ein Gewebe, ein Geflecht, Faserbänder oder dergleichen bilden. Die Fasern des Fasermaterials können sowohl trocken als auch vorimprägniert sein und als Kohlenstofffasern, Glasfasern oder dergleichen ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens können einzelne Lagen in die Werkzeugform eingebracht werden, wobei das Einlegeteil mit der Klebeschicht entsprechend dessen Positionierung im späteren Faserverbundteil zwischen Lagen des Fasermaterials in die Werkzeugform eingelegt wird. Es hat sich jedoch insbesondere aus Gründen eines effektiveren Produktionsablaufs als vorteilhaft erwiesen, wenn in einem Vorformprozess aus dem Fasermaterial ein bevorzugt aus trockenen Fasern in Form von Faserbänden, Geweben, Geflechten und dergleichen gegebenenfalls unter Zugabe von Formstabilisatoren wie beispielsweise Bindern und/oder dergleichen hergestelltes Faserformteil vorgeformt wird und das mit dem bevorzugt inaktiven Klebstoff versehene Einlegeteil während des Vorformprozesses in dem Faserformteil aufgenommen wird. Dabei kann der Klebstoff teilweise adhäsive Eigenschaften aufweisen, die eine verliersichere Fixierung des Einlegeteils in dem Faserformteil erzielen. Alternativ oder zusätzlich kann das Einlegeteil form- oder reibschlüssig in dem Faserformteil aufgenommen, beispielsweise eingestanzt, eingeflochten, eingeformt oder in ähnlicher Weise eingebracht sein. Das Faserformteil kann hierbei mit dem Einlegeteil beispielsweisehaft für alternative Harzeinbringunsverfahren in eine Werkzeugform eingebracht und die Matrixkomponente mittels Injektion unter Druck oder Schwerkraft oder Einsaugen bei unter Vakuum gesetztem Fasermaterial der Matrixkomonente getränkt beziehungsweise umgossen werden.
Die Matrixkomponente ist bevorzugt aus fließfähigen organischen Verbindungen wie thermoplastischen oder duroplastischen Harzen, beispielsweise Epoxid-, Polyester-, Vinylester-, Phenyl-, Polyurethanharzen und dergleichen gebildet. Die in die Werkzeugform injizierte Matrixkomponente wird je nach chemischem Reaktionsverhalten thermisch und/oder in anderer Weise ausgehärtet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens kann das Einlegeteil mittels der Klebstoffschicht während der Aushärtung der Matrixkomponente in der Werkzeugform mit dem Fasermaterial und der Matrixkomponente, also mit dem sich bildenden Kompositmaterial adhäsiv verbunden werden. Hierbei kann vorgesehen werden, dass der Klebstoff und die Matrixkomponente bei denselben chemischen Reaktionsbedingungen aushärten beziehungsweise adhäsiv wirksam werden. Dies kann beispielsweise derselbe oder ein ähnlicher Temperaturbereich sein. Hierdurch kann beispielsweise eine Vermischung beziehungsweise Teilvermischung von Klebstoff und Matrixkomponente erzielt werden. In vorteilhafter Weise wird darauf geachtet, dass die Matrixkomponente und der Klebstoff chemisch ähnlich sind und nachteilige Gegenreaktionen vermieden werden. Beispielsweise kann ein Epoxidharz und ein Epoxidklebstoff verwendet werden.
Gemäß einer alternativen Ausbildung des Verfahrens kann das Einlegeteil mittels der Klebstoffschicht nach der Aushärtung der Matrixkomponente in der Werkzeugform mit dem Fasermaterial und der Matrixkomponente, also dem ausgehärteten Kompositmaterial adhäsiv verbunden werden. Mittels einer entsprechenden Einstellung der Aushärtebedingungen der Matrixkomponente und der Aktivierungsbedingungen des Klebstoffes wird beispielsweise durch Ausbildung entsprechender Temperaturprogramme des Aushärtevorgangs die Matrixkomponente bei einer vorgegebenen Aushärtetemperatur bei adhäsiv inaktivem Klebstoff ausgehärtet und der Klebstoff oberhalb der Aushärtetemperatur der Matrixkomponente adhäsiv aktiviert. Diese Aktivierung kann beispielsweise parallel zu einem Temperaturnachbehandlungszyklus (Temperung) der Matrixkomponente erfolgen.
Das mittels des vorgeschlagenen Verfahrens hergestellte Faserverbundteil enthält zwischen dem Einlegeteil und dem aus dem Fasermaterial und der Matrixkomponente gebildeten Kompositmaterial eine Klebeschicht, die das Kompositmaterial und das Einlegeteil strukturell verbindet und Kontaktkorrosion vermeidet. Hierzu kann die Klebeschicht einen Fügebereich mit einer Fügefläche des Einlegeteils luftdicht abdichten. Die vor dem Aushärtevorgang eingebrachte, bevorzugt in dieser Verfahrensphase noch inaktive Klebeschicht kann in besonders vorteilhafter Weise an einem Hinterschnitt des Einlegeteils vorgesehen sein. Hierbei kann der Klebstoff bei noch gestaltbarer Geometrie des Fasermaterials an dem Hinterschnitt oder an einem sich an den Hinterschnitt angrenzenden Bereich aufgebracht werden, so dass nach dem Aushärten der Matrixkomponente und Aktivierung der adhäsiven Eigenschaften des Klebstoffs eine Verklebung zwischen Kompositmaterial und dem Einlegeteil vorgesehen werden kann, die nach dem Aushärten der Matrixkomponente überhaupt nicht mehr durchführbar wäre.
Der Klebstoff bildet eine strukturelle, das heißt mechanisch hoch beanspruchbare Verbindung zwischen dem Kompositmaterial, also zwischen ausgehärteter Matrixkomponente und/oder Fasermaterial, und dem Einlegeteil, wobei mechanische, beispielsweise durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten bedingte Materialspannungen zwischen dem Einlegeteil und dem Kompositmaterial durch eine entsprechende Elastizität des Klebstoffs ausgeglichen werden können. Hierzu kann der Klebstoff eine höhere Elastizität aufweisen als das Material des Einlegeteils. Das Einlegeteil kann zur Verstärkung des Faserverbundteils vollkommen von der Matrixkomponente umgeben sein und Hinterschnitte gegenüber dem Kompositteil ausbilden, wobei an den Hinterschnitten der Klebstoff angeordnet sein kann. In bevorzugter Weise können ein oder mehrere Einlegeteil mit oder ohne Hinterschnitte gegenüber dem Kompositmaterial nur teilweise in dem Kompositmaterial aufgenommen sein und Funktionsflächen außerhalb des Kompositmaterials bilden. Diese Funktionsflächen können Schweißflächen zur Schweißverbindung mit einer Metallstruktur, Anlageflächen, Form- und/oder Kraftschlusspartner für andere Bauteile oder dergleichen ausbilden.
Die Erfindung wird anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundteils in schematischer Darstellung
und
2 ein Faserformteil mit einem Einlegeteil.
Die 1 zeigt schematisch das Verfahren 1 zur Herstellung des Faserverbundteils 2 mit dem aus Fasermaterial 3 und der Matrixkomponente 4 hergestellten Kompositmaterial 5 und dem Einlegeteil 6. Zu Beginn des Verfahrens 1 in dem Verfahrensschritt I ist das Einlegeteil 6 – hier ein Flansch – an der Fügefläche 7 mit dem inaktiven Klebstoff 8, beispielsweise einem Klebefilm versehen. Hierbei wird der Fügespalt 9 zwischen der Fügefläche 7 und dem nachfolgend gefügten Fasermaterial 3 gebildet. In Verfahrensschritt II wird hierzu das Fasermaterial 3 bevorzugt als vorgefertigtes Faserformteil 10 auf den inaktiven Klebstoff 8 aufgebracht. In diesem Verfahrensschritt II wird das mit dem Einlegeteil 6 bestückte Faserformteil 10 in eine nicht dargestellte Werkzeugform eingelegt. In Verfahrensschritt III wird in das Fasermaterial 3 die Matrixkomponente 4 injiziert und anschließend bei einer vorgegebenen Aushärtetemperatur und einer vorgegebenen Härtezeit ausgehärtet. Hierbei ist die Aktivierungstemperatur des Klebstoffs 8 bevorzugt so vorgegeben, dass dieser bei der Aushärtetemperatur noch nicht aktiviert wird. In dem Verfahrensschritt IV wird die Temperatur weiter erhöht, um beispielsweise das aus dem Fasermaterial 3 und der Matrixkomponente 4 hergestellte und ausgehärtete Kompositmaterial 5 zu tempern und bei erreichter Aktivierungstemperatur den Klebstoff 8 zu aktivieren, das heißt, mittels des Klebstoffs 8 zwischen dem Einlegeteil 6 und dem Kompositmaterial 5 eine strukturelle Verbindung herzustellen.
Die 2 zeigt das gegenüber dem Faserformteil 10 der 1 abgeänderte Faserformteil 10a in Form eines Rohrabschnitts. Hierbei ist zwischen Fasern des Faserformteils 10a das Einlegeteil 6a eingelegt. Das Einlegeteil 6a ist mit inaktiviertem Klebstoff 8a versehen. Das Einlegeteil 6a bildet in dem Faserformteil Hinterschnitte 11a. In den anschließenden, den Verfahrensschritten III, IV der 1 entsprechenden Verfahrensschritten wird nach dem Einlegen des Faserformteils 10a in eine Werkzeugform die Matrixkomponente in das Faserformteil 10a injiziert, unter Bildung des Kompositmaterials ausgehärtet und anschließend der Klebstoff 8a aktiviert. Auf diese Weise ist eine Klebeverbindung zwischen dem Kompositmaterial und dem Einlegeteil 6a trotz der Hinterschnitte 11a möglich.
Bezugszeichenliste

1: Verfahren
2: Faserverbundteil
3: Fasermaterial
4: Matrixkomponente
5: Kompositmaterial
6: Einlegeteil
6a: Einlegeteil
7: Fügefläche
8: Klebstoff
8a: Klebstoff
9: Fügespalt
10: Faserformteil
10a: Faserformteil
11a: Hinterschnitt
I: Verfahrensschritt
II: Verfahrensschritt
III: Verfahrensschritt
IV: Verfahrensschritt

Claims

Verfahren (1) zur Herstellung eines Faserverbundteils (2) bestehend aus Fasermaterial (3), zumindest einem Einlegeteil (6, 6a) und einer fließfähigen, aushärtbaren Matrixkomponente (4), wobei in das Fasermaterial (3) die Matrixkomponente (4) eingebracht wird und anschließend während eines Aushärtevorgangs der Matrixkomponente (4) eine Bildung eines Kompositmaterials (5) aus Matrixkomponente (4), Fasermaterial (3) und Einlegeteil (6, 6a) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Fügespalt (9) zwischen einer Fügefläche (7) des zumindest einen Einlegeteils (6, 6a) und des Fasermaterials (3) vor dem Einbringen der Matrixkomponente Klebstoff (8, 8a) eingebracht wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Einlegeteil (6, 6a) mit Klebstoff (8, 8a) in Form eines Klebefilms versehen wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (3) lagenweise verarbeitet und das Einlegeteil (6, 6a) an eine Lage oder zwischen Lagen des Fasermaterials (3) eingebracht wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Vorformprozess aus dem Fasermaterial (3) ein Faserformteil (10, 10a) vorgeformt und das zumindest eine Einlegeteil (6, 6a) in dem Faserformteil (10, 10a) aufgenommen oder an das Vorformteil angebracht wird.
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Einlegeteil (6, 6a) mittels des Klebstoffs (8, 8a) während der Aushärtung der Matrixkomponente (4) mit dem Kompositmaterial (5) adhäsiv verbunden wird.
Verfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Einlegeteil (6, 6a) mittels des Klebstoffs (8, 8a) nach der Aushärtung der Matrixkomponente (4) in der Werkzeugform mit dem Kompositmaterial (5) adhäsiv verbunden wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixkomponente (4) bei einer vorgegebenen Aushärtetemperatur bei adhäsiv inaktivem Klebstoff (8, 8a) ausgehärtet wird und der Klebstoff (8, 8a) oberhalb der Aushärtetemperatur adhäsiv aktiviert wird.
Faserverbundteil (2), hergestellt mittels des Verfahrens (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 mit zwischen dem zumindest einen Einlegeteil (6, 6a) und dem Kompositmaterial (5) vorgesehenen, diese strukturelle verbindenden Klebstoff.
Faserverbundteil (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (8a) an einem Hinterschnitt (11a) des Einlegeteils (6a) vorgesehen ist.
Faserverbundteil (2) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (8, 8a) das Kompositmaterial (5) mit dem zumindest einen Einlegeteil (6, 6a) elastisch verbindet.
Faserverbundteil (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Einlegeteil (6, 6a) aus Metall gebildet ist.
Faserverbundteil (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (3) aus vorgeformten Kohlenstofffasen hergestellt ist.
Faserverbundteil (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (8, 8a) als Klebefilm auf Epoxid-Basis ausgebildet ist.