DE102014200130A1

DE102014200130A1 - Verfahren zum Reparieren oder Verstärken eines Hohlprofilabschnittes eines Kunststoffprofils

Info

Publication number: DE102014200130A1
Application number: DE102014200130.7A
Authority: DE
Inventors: Clemens Stefanziosa; Nathanael Sutter
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2015-07-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren und/oder Verstärken eines Hohlprofilabschnittes eines kohlefaserverstärkten Kunststoffprofils an einem Innenwandabschnitt einer Innenwand des Kunststoffprofils, bei dem ein schlauchförmiges Reparatur- oder Verstärkungselement zusammen mit einem expandierbaren Ballon in den Hohlprofilabschnitt des zu reparierenden oder des zu verstärkenden Hohlprofils eingeführt wird und dort mittels Druckbeaufschlagung durch den Ballon an die Innenwand gepresst und mit diesem verbunden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren und/oder Verstärken eines Hohlprofilabschnittes eines kohlefaserverstärkten Kunststoffprofils gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft daher insbesondere ein Verfahren zum Reparieren und/oder Verstärken eines Hohlprofilabschnittes eines kohlefaserverstärkten Kunststoffprofils an einem Innenwandabschnitt einer Innenwand des Kunststoffprofils, bei dem ein schlauchförmiges Reparatur- oder Verstärkungselement zusammen mit einem expandierbaren Ballon in den Hohlprofilabschnitt des zu reparierenden oder des zu verstärkenden Hohlprofils eingeführt wird und dort mittels Druckbeaufschlagung durch den Ballon an die Innenwand gepresst und mit diesem verbunden wird.
Konstruktionsprofile wie z. B. Kunststoffhohlprofile werden im Fahrzeug- und Flugzeugbau zunehmend aus Faserverbundwerkstoff eingesetzt. Allgemein besteht im Fahrzeugbau ein Bestreben danach, leichte, jedoch hochfeste Profile einzusetzen, die den zu erwartenden Belastungen Stand halten.
Aus dem Stand der Technik sind diverse Verfahren zur Herstellung von Schalen- oder Hohlbauteilen bzw. Hohlprofilen bekannt. So zeigt die DE 19802855 A1 die Herstellung eines Hohlbauteils mittels Schlauchblasverfahren mit konduktiver oder induktiver Erhitzung. Aus der DE 3113791 A1 ist die Herstellung eines Strukturbauteils für ein Flugzeug mittels Schlauchblasverfahren bekannt. Ferner ist aus der DE 10 2007 040 330 A1 ein mit einem optimierten Schlauchblasverfahren hergestellter Träger eines Fahrzeugs bekannt.
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren betreffen somit die Herstellung von Hohlbauteilen sowie die Verwendung von Hohlbauteilen im Fahrzeug- und Flugzeugbau.
Jedoch kommt es immer wieder vor, dass Profile an exponierten Stellen, insbesondere an tragenden Stellen einer Konstruktion, beschädigt werden und ausgebessert werden müssen. Aus der EP 0 561 800 B1 ist zum Beispiel ein Verfahren bekannt, bei dem ein beschädigter Längsträger an seiner Verbindungsstelle zu einem Knotenelement von diesem getrennt und durch einen neuen Träger ersetzt wird. Der neue Träger wird durch Schrauben, die sowohl den Flansch des Knotenelements als auch den neuen Träger durchsetzen, über eine eingesetzte Mutterplatte am Knotenblech befestigt. Solche bekannten Reparaturlösungen bieten allerdings vor allem bei Aluminiumlegierungen und Metallprofilen Vorteile, da hiermit eine Reparatur über Schmelzschweißen mit einem Festigkeitsabfall in der Schweißzone vermieden werden kann.
In der US 00/5281454 A wird ein Verfahren offenbart, bei dem die Enden von zu verbindenden Verbundbauteilen mittels korrespondierenden Flächen angeschrägt werden und dann mittels eines Klebers miteinander verbunden werden. Da zunehmend Verbundwerkstoffe, wie zum Beispiel kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) eingesetzt werden, stehen die im Stand der Technik genannten Reparaturmethoden hierfür nicht zur Verfügung bzw. lassen sich diese nicht ohne Weiteres auf Verbundwerkstoffe übertragen. Typischerweise werden Verbundwerkstoffe daher mittels einer aufwendigen Laminiertechnik repariert.
Hohlprofile können z. B. von außen laminiert werden, was aber zu einem unerwünschten Materialauftrag führt
Andere aus dem Stand der Technik bekannte Reparaturverfahren, wie die Verwendung von Muffen, Dopplern oder Hinterlegplatten lassen sich ebenfalls nicht ohne Weiteres auf die in der Praxis verwendeten Hohl-Profilformen insbesondere nicht an schwer zugänglichen Stellen innerhalb von CFK-Verbundprofilen übertragen.
Im Stand der Technik ist insofern kein geeignetes Reparaturkonzept für faserverstärkte Hohlbauteile oder Holprofile bekannt. Neben der Problematik der Reparatur von Hohlbauteilen besteht auch ein Bedarf danach, Hohlbauteile an bestimmten Stellen zu verstärken. Sofern Verstärkungsplattendoppler oder Verstärkungselemente jedoch außen an den Hohlprofilen aufgebracht werden, ragen diese aus der Profiloberfläche hervor, was unerwünscht ist und teilweise auch aus Platzgründen nicht realisierbar ist.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vorbesagte Nachteile zu überwinden und insbesondere eine universelle Lösung zur Reparatur und Verstärkung von Hohlprofilen bereit zu stellen, die sich bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Profilformen adaptieren lässt.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren nach Anspruch 1.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kunststoffschlauch bzw. einen Kunststoffschlauchabschnitt mit einem im Kunststoffschlauch angeordneten expandierenden Ballon durch eine Öffnung in das Hohlprofil einzuführen und dann mittels Expansion des Ballons den Kunststoffschlauch an die Innenwand des Hohlprofils anzupressen und ihn auf geeignete Weise mit dem Hohlprofil zu verbinden bzw. in Formschluß zu bringen.
Auf diese Weise kann eine beschädigte Profilstelle durch den eingesetzten Kunststoffschlauch von innen repariert werden. Alternativ kann ein definierter Hohlprofilabschnitt mittels des eingesetzten Kunststoffschlauches geeignet verstärkt werden.
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zum Reparieren und/oder Verstärken eines Hohlprofilabschnittes eines vorzugsweise kohlefaserverstärkten Kunststoffprofils an einem Innenwandabschnitt einer Innenwand des Kunststoffprofils mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:

a) Bereitstellen eines faserverstärkten Kunststoffschlauches sowie eines expandierbaren (befüllbaren) Ballons zum Einführen in den Kunststoffschlauch;
b) Einführen des faserverstärkten Kunststoffschlauches zusammen mit dem expandierbaren Ballon in den Hohlprofilabschnitt und
c) Expandieren des Ballons im faserverstärkten Kunststoffschlauch derart, dass der Kunststoffschlauch gegen die Innenwand während einer Aushärtedauer t gepresst wird, um diesen mit dem Kunststoffprofil zu verbinden.

Das Einführen des Kunststoffschlauches zusammen mit dem Ballon erfolgt in der Regel über eine Öffnung im Hohlprofil. Verfahrensgemäß wird der Kunststoffschlauch zusammen mit dem Ballon in den zu reparierenden oder verstärkenden Hohlprofilabschnitt des Kunststoffprofils eingeführt.
Der Kunststoffschlauch ist von seiner Abmessung auf die Abmessung des zu reparierenden oder verstärkenden Kunststoffprofils geeignet abgestimmt. Der im Kunststoffschlauch angeordnete expandierbare Ballon wird danach befüllt, vorzugsweise mit Luft, Wasser oder einem anderen geeigneten Fluid so weit befüllt und expandiert, bis der benötigte Anpressdruck an die Innenwand des Innenwandabschnittes des zu verstärkenden oder reparierenden Hohlprofilabschnittes erzielt wird. In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann ein auf eine vordefinierte Prozesstemperatur T erwärmtes oder erhitztes Fluid zur Befüllung verwendet werden, um auf diese Weise die Aushärtung und auch die Abkühlphase gezielt zu steuern. Je nach Wärmespeichervermögen und Wärmeleitfähigkeit des ausgewählten Fluids lassen sich die Aushärtetemperatur und die Abkühlzeit gezielt einstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der faserverstärkte Kunststoffschlauch vorher in einem Harz getränkt werden.
Die für das verwendete System definierte Aushärtedauer bestimmt die Presszeit, mit der der Kunststoffschlauch gegen die Innenwand des Hohlprofilabschnittes gepresst wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Kunststoffschlauch ein beidseitig offener, einen Ringabschnitt aufweisender Schlauch verwendet. Die Länge des Schlauchabschnittes kann dabei auf die Größe des Verstärkungsbereiches oder des Reparaturbereiches abgestimmt werden.
Bevorzugt wird der Ballon vor dem Einführen des faserverstärkten Kunststoffschlauches in den Hohlprofilabschnitt durch eine Öffnung in den Kunststoffschlauch eingeführt und im Bereich des Ringabschnittes innerhalb des Kunststoffschlauchs angeordnet. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann vor dem Einführen des Kunststoffschlauches mit dem Ballon der Ballon bereits in einen vorexpandierten Zustand übergeführt werden, so dass er sich noch gut durch die Öffnung im Hohlprofil einführen lässt, aber bereits einen guten Halt mit dem den Ballon umgebenden Kunststoffschlauch eingeht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kunststoffschlauch aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet. Besonders bevorzugt ist es als faserverstärktes Material ein kohlefaserverstärktes oder glasfaserverstärktes oder aramidverstärktes Kunststoffmaterial oder dgl. zu verwenden.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Kunststoffschlauch ein kohlefaserverstärktes Prepreg in Schlauchform verwendet, welches z. B. vor dem Einführen in Harz getränkt wird.
Es ist weiter von Vorteil, wenn der Ballon abhängig von dem erforderlichen Anpressdruck mit einem geeigneten Fluid so lange befüllt wird, dass sich der erforderliche Anpressdruck gegen die Innenwand des Hohlprofilabschnitts des Kunststoffprofils einstellt. Eine Befüllung mit ausreichend Druck oder ausreichend Fluid kann mittels einer Drucküberwachung gesteuert werden.
Es ist weiter vorgesehen, dass das Fluid nach dem Aushärten des Kunststoffschlauches schrittweise aus dem Ballon herausgelassen wird. So ist es möglich, den Ballon nach dem Aushärten des Kunststoffschlauchs wieder aus dem Hohlprofilabschnitt zu entfernen und ggf. wieder zu verwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich mit unterschiedlichen Kunststoffmaterialien durchführen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Kunststoffmaterials mit einer duroplastischen oder einer thermoplastischen Matrix zur Ausbildung des Kunststoffschlauchs. Der Schlauch selbst kann als Prepreg, als textiles Hybridhalbzeug oder als vorgeheizter thermoplastischer Faserverbundschlauch ausgebildet sein. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht durch ein zu reparierendes Hohlprofil,
2 einen Zwischenschritt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Aushärten des Kunststoffschlauchs im Hohlbauteil.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Reparatur eines Hohlbauteils beschrieben. Das im Folgenden beschriebene Verfahren kann für Hohlbauteile, Hohlprofile und dgl. auch Anwendung finden, um die entsprechenden Hohlbauteile oder Profile zu verstärken anstatt sie zu reparieren.
1 zeigt eine Schnittansicht durch ein beispielhaftes Hohlprofil 2 eines kohlefaserverstärkten Kunststoffprofils 1. Das Kunststoffprofil 1 weist eine Innenwand 23 und eine Außenwand 20 auf. Der Hohlprofilabschnitt 2 weist einen geschädigten Abschnitt 22 auf. Der umlaufende innenliegende Bereich des Kunststoffprofils 1, an dem sich der beschädigte Abschnitt 22 befindet, wird im Folgenden als Innenwandabschnitt 21 bezeichnet, d. h. dass der Innenwandabschnitt 21 einen Abschnitt der Innenwand des Hohlprofilabschnittes 2 bezeichnet, an dem sich entweder der zu reparierende oder verstärkende Abschnitt 22 befindet.
Die Reparatur des Hohlprofilabschnittes 2 wird anhand der folgenden Verfahrensschritte durchgeführt:
Zunächst erfolgt das Bereitstellen eines faserverstärkten Kunststoffschlauches 3 sowie eines expandierbaren Ballons 4 zum Einführen in den Kunststoffschlauch 3. Danach erfolgt das Einführen des faserverstärkten Kunststoffschlauchs 3 zusammen mit dem expandierbaren Ballon 4 in den Hohlprofilabschnitt 2 und wie in 2 gezeigt, das Expandieren des Ballons 4 durch Befüllen durch eine Einfüllöffnung 4a mit einem Fluid 5 (schematisch mit einem Pfeil angedeutet) im faserverstärkten Kunststoffschlauch 3 derart, dass der Kunststoffschlauch 3 gegen die Innenwand 23 des Kunststoffprofils 1 während einer Aushärtedauer t gepresst wird. Während der Aushärtedauer t härtet der faserverstärkte Kunststoffschlauch aus und geht eine Verbindung mit dem Kunststoffprofil 1 ein. Dies kann bspw. dadurch bewerkstelligt werden, dass der Kunststoffschlauch 3 vorher in einem Harz getränkt wurde.
Nachdem der Kunststoffschlauch 3 ausgehärtet ist und mit dem Kunststoffprofil 1 in einer formschlüssigen Verbindung steht, wird das Fluid schrittweise aus dem Ballon 4 herausgelassen und wird wie in 3 gezeigt, der Ballon aus dem Hohlprofilabschnitt 2 des Kunststoffprofils 1 entfernt.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein kohlefaserverstärktes Kunststoffmaterial zur Ausbildung des Kunststoffschlauches verwendet und als Profilmaterial eine thermoplastische Matrix eingesetzt. Allerdings können auch andere faserverstärkte Materialien und andere Kunststoffmaterialien mit dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verbunden werden, so dass das Verfahren weiter dadurch charakterisiert ist, dass der verwendete Kunststoffschlauch aus einem Kunststoffmaterial mit einer duroplastischen Matrix oder einer thermoplastischen Matrix besteht.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19802855 A1 [0003]
DE 3113791 A1 [0003]
DE 102007040330 A1 [0003]
EP 0561800 B1 [0005]
US 00/5281454 A [0006]

Claims

Verfahren zum Reparieren und/oder Verstärken eines Hohlprofilabschnittes (2) eines faserverstärkten Kunststoffprofil (1) an einem Innenwandabschnitt (21) einer Innenwand (23) mit den folgenden Schritten: a. Bereitstellen eines faserverstärkten Kunststoffschlauches (3) sowie eines expandierbaren Ballons (4) zum Einführen in den Kunststoffschlauch (3); b. Einführen des faserverstärkten Kunststoffschlauches (3) zusammen mit dem expandierbaren Ballon (4) in den Hohlprofilabschnitt (2) und c. Expandieren des Ballons (4) im faserverstärkten Kunststoffschlauch (3) derart, dass der Kunststoffschlauch (3) gegen die Innenwand (23) während einer Aushärtedauer T gepresst wird, um diesen mit dem Kunststoffprofil (1) zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschlauch (3) ein beidseitig offener, einen Ringabschnitt (30) aufweisender Schlauch darstellt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballon (4) vor dem Schritt b durch eine Öffnung (31, 32) in den Kunststoffschlauche (3) eingeführt und im Bereich des Ringabschnittes (30) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Kunststoffschlauch (3) aus einem Kunststoffmaterial mit einer duroplastischen Matrix oder einer thermoplastischen Matrix besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffschlauch (3) aus einem kohlefaserverstärkten oder glasfaserverstärkten oder aramidfaserverstärkten Kunststoffmaterial besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoffschlauch (3) ein faserverstärkter Prepreg in Schlauchform verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballon (4) zum Expandieren mit einem Fluid (5) gefüllt wird um den erforderlichen Anpressdruck (P) gegen die Innenwand (23) des Hohlprofilabschnittes (2) des Kunststoffprofil (1) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (5) nach dem Aushärten des Kunststoffschlauches (3) schrittweise aus dem Ballon (4) herausgelassen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aushärten des Kunststoffschlauches (3) der Ballon (4) wieder aus dem Hohlprofilabschnitt (2) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (5) vor dem Befüllen auf eine vordefinierten Prozesstemperatur T erhitzt wird.