DE102014214031A1

DE102014214031A1 - Verfahren und Versiegelungsvorrichtung zur Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen

Info

Publication number: DE102014214031A1
Application number: DE102014214031.5A
Authority: DE
Inventors: c/o Airbus Operations GmbH Born Johannes
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2016-01-21
Also published as: US10647063B2; US20160016356A1; US11214011B2; EP2977186B1; US20200269518A1; EP2977186A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen, mit den Schritten des Auflegens eines thermoplastischen Halbzeugs auf eine Schnittkante eines Faserverbundbauteils, und des thermoplastischen oder stoffschlüssigen Fügens des thermoplastischen Halbzeugs mit der Schnittkante des Faserverbundbauteils durch Ultraschallschweißen.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren und einer Versiegelungsvorrichtung zur Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen, insbesondere von carbonfaserverstärkten Kunststoffbauteilen („carbon-fiber-reinforced plastic”, CFRP) für den Einsatz im Luft- und Raumfahrtbereich.
Bei der Herstellung von carbonfaserverstärkten Kunststoffbauteilen werden derartige Bauteile nach dem Konsolidieren, Umformen oder Aushärten in der Regel entsprechend zugeschnitten. An den Schnittkanten dieser Bauteile liegen dann die Carbonfasern nach außen hin offen. Um Korrosion, Feuchtigkeitseintritt und Ausfaserung an den Schnittkanten zu verhindern, müssen die Schnittkanten nach außen hin versiegelt werden.
Beispielsweise werden in thermoplastischen Stempelumformverfahren Bauteile aus plattenförmigen kohlefaserverstärken Halbzeugen hergestellt. Überschüssige Materialbereiche werden üblicherweise in einem Fräsprozess vom Rohling abgetrennt, um eine vorgegebene Kontur des CFK-Bauteils zu erzielen. Die so entstehenden gefrästen Bauteilkanten können zum Beispiel mit einem Kunstharzlack oder Kunstharzsystemen auf Ein- oder Zweikomponentenbasis versiegelt werden. Der manuelle Auftrag solcher Kunstharze ist jedoch arbeitsintensiv, zeitraubend und kostenintensiv.
Die Druckschrift US 567,948 A beispielsweise offenbart ein Verfahren zur Kantenversiegelung geschnittener faserhaltiger Gewebebauteile. Die Druckschrift DE 44 45 842 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Filtereinsätzen aus thermoplastisch verschweißbarem Faservliesstoff. Die Druckschrift DE 10 2009 060 692 A1 offenbart ein Verfahren zur Kantenversiegelung eines faserverstärkten Bauteils, wobei eine Bauteilkante des Bauteils zumindest abschnittsweise mit einem thermoplastischen Pulver elektrostatisch beschichtet wird und die Pulverbeschichtung in einem Ofen zur Schaffung einer glatten Kantenversiegelung aufgeschmolzen und vernetzt wird.
Es besteht jedoch ein Bedarf nach Lösungen für die Randversiegelung von Schnittkanten an Faserverbundbauteilen, die wenig Aufwand und geringe Kosten verursachen sowie mit hohem Bauteildurchsatz implementiert werden können.
Daher schafft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen, mit den Schritten des Auflegens eines thermoplastischen Halbzeugs auf eine Schnittkante eines Faserverbundbauteils, und des thermoplastischen oder stoffschlüssigen Fügens des thermoplastischen Halbzeugs mit der Schnittkante des Faserverbundbauteils durch Ultraschallschweißen.
Weiterhin schafft die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt eine Versiegelungsvorrichtung zur Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen, mit einer Bandzufuhreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, ein thermoplastisches Halbzeug auf eine Schnittkante eines Faserverbundbauteils aufzulegen, und einem Ultraschallschweißgerät, welches dazu ausgelegt ist, das thermoplastische Halbzeug thermoplastisch oder stoffschlüssig mit der Schnittkante des Faserverbundbauteils durch Ultraschallschweißen zu fügen.
Wesentliche Vorteile der erfindungsgemäßen Aspekte bestehen darin, dass die Versiegelungsprozedur automatisiert ablaufen kann. Dadurch wird der Durchsatz an zu versiegelnden Faserverbundbauteilen erheblich erhöht. Als Versiegelungsmaterialien können Halbzeuge eingesetzt werden, die nicht reaktiv sind und besser zu verarbeiten sind als etwa Epoxyklebstoffe. Zudem sind die Versiegelungshalbzeuge nicht flüssig, sondern flexible Feststoffe, die leicht zu transportieren und einfach zu handhaben sind.
Nach der Versiegelung ist kein weiterer Aushärtungsschritt für die Faserverbundbauteile mehr notwendig, was den Durchsatz an Bauteilen vorteilhafterweise weiter erhöht. Zudem konsolidiert das thermoplastische Versiegelungsmaterial binnen weniger Sekunden, so dass die Versiegelungspräzision und -geschwindigkeit deutlich zunimmt. Zudem ist die Reproduzierbarkeit der Qualität der Kantenversiegelung gegenüber einem manuellen Auftrag von Versiegelungsmaterialien auf Kunstharzbasis deutlich verbessert, insbesondere hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Materialstärke und der Bedeckung der Schnittkanten.
Besonders für die Automobilindustrie und den Luft- und Raumfahrtsektor sind die erfindungsgemäßen Lösungen für die Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen von großem Vorteil, da die Anforderungen an dauerhafte und zuverlässige Kantenversiegelungen aufgrund der zunehmenden Verbreitung von Carbonfasermaterialien gerade in diesen Einsatzbereichen in Zukunft weiter steigen werden.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Auflegen des thermoplastischen Halbzeugs ein kontinuierliches Zuführen des thermoplastischen Halbzeugs als thermoplastisches Halbzeugband auf die Schnittkante des Faserverbundbauteils umfassen. Dadurch ist der Prozess automatisierbar, beispielsweise mit einem Industrieroboter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Breite des thermoplastischen Halbzeugbands der Schnittkantenbreite der Schnittkante des Faserverbundbauteils entsprechen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das thermoplastische Halbzeug ein Band aus Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, Polyphenylensulfid, Polyetherimid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyarylenetherketon oder Polysulfonen umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das thermoplastische oder stoffschlüssige Fügen ein Ultraschallschweißen mit einer Rotationssonotrode umfassen. Gerade bei kontinuierlichen Prozessen kann mit einer Rotationssonotrode ein gleichmäßiger Schweißprozess unter kontrollierten Bedingungen implementiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versiegelungsvorrichtung kann die Bandzufuhreinrichtung eine Haspel aufweisen, die dazu ausgelegt ist, das thermoplastische Halbzeug als thermoplastisches Halbzeugband kontinuierlich auf die Schnittkante des Faserverbundbauteils zuzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versiegelungsvorrichtung kann die Breite des thermoplastischen Halbzeugbands der Schnittkantenbreite der Schnittkante des Faserverbundbauteils entsprechen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versiegelungsvorrichtung kann das thermoplastische Halbzeug ein Band aus Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, Polyphenylensulfid, Polyetherimid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyarylenetherketon oder Polysulfonen umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versiegelungsvorrichtung kann das Ultraschallschweißgerät eine Rotationssonotrode umfassen.
Die Erfindung wird im Folgenden genauer im Zusammenhang und in Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen wie in den beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die beigefügten Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und illustrieren beispielhafte Ausführungsvarianten der Erfindung. Sie dienen zur Erläuterung von Prinzipien, Vorteilen, technischen Effekten und Variationsmöglichkeiten. Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile der Erfindung ebenso denkbar, insbesondere mit Blick auf die im Folgenden dargestellte ausführliche Beschreibung der Erfindung. Die Elemente in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt und aus Gründen der Übersichtlichkeit teils vereinfacht oder schematisiert dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder gleichartige Komponenten oder Elemente.
1 zeigt eine schematische Illustration einer Versiegelungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens für die Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Obwohl hierin spezielle Ausführungsformen beschrieben und dargestellt sind, ist es für einen Fachmann klar, dass eine Fülle weiterer, alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen für die Ausführungsformen gewählt werden können, ohne im Wesentlichen vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen sollen alle Variationen, Modifikationen und Abwandlungen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ebenfalls von der Erfindung als abgedeckt gelten.
1 zeigt eine schematische Illustration einer Versiegelungsvorrichtung S für die Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen. Ein Faserverbundbauteil C, beispielsweise ein carbonfaserverstärktes Kunststoffbauteil („carbon-fiber-reinforced plastic”, CFRP) für den Einsatz im Luft- und Raumfahrtbereich, kann dazu der Versiegelungsvorrichtung S zugeführt werden. Das Faserverbundbauteil C kann beispielsweise mit einer duroplastischen Matrix wie etwa Epoxydharz oder mit einer thermoplastischen Matrix wie etwa aus Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, Polyphenylensulfid oder Polyetherimid versehen werden.
Das Faserverbundbauteil C weist eine Schnittkante E auf, an der die Fasern nach außen hin bloß liegen. Das Faserverbundbauteil C wird generell in der Bewegungsrichtung v unter einem Ultraschallschweißgerät 4 hindurchgeführt, so dass die Schnittkante E unter der aktiven Sonotrode 5 des Ultraschallschweißgeräts 4 hindurch läuft. Es ist dabei auch möglich, das Ultraschallschweißgerät 4 über das fixierte Faserverbundbauteil C hinweg zu bewegen.
Zwischen der Sonotrode 5 und der Schnittkante E wird thermoplastisches Halbzeug, beispielsweise in Form eines thermoplastisches Halbzeugbands 3, auf die Schnittkante E aufgelegt in die Versiegelungsvorrichtung S eingeführt. Das thermoplastische Halbzeugband 3 kann beispielsweise von einer Haspel abgerollt werden, die dazu ausgelegt ist, das thermoplastische Halbzeugband 3 kontinuierlich auf die Schnittkante E aufzulegen. Die Breite des thermoplastischen Halbzeugbands 3 kann beispielsweise der Schnittkantenbreite der Schnittkante E des Faserverbundbauteils C entsprechen. Alternativ ist es auch möglich, für das Halbzeugband 3 eine größere Breite als die Schnittkantenbreite der Schnittkante E zu wählen und nach dem Schweißschritt mit dem Ultraschallschweißgerät 4 um die Seitenflächen des Faserverbundbauteils C umzuschlagen.
Das Halbzeugband 3 kann beispielsweise ein Band aus Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, Polyphenylensulfid, Polyetherimid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyarylenetherketon oder Polysulfonen umfassen. Derartige Thermoplaste lassen sich unter Wärme- und Druckeinwirkung ohne die Notwendigkeit für weitere Zusatzwerkstoffe mit einem darunter liegenden Fügepartner (hier das Faserverbundbauteil C) verschweißen. Dabei werden das Halbzeugband 3 und das Faserverbundbauteil C lokal über ihren Schmelzpunkt hinaus erwärmt und in einen fließfähigen Zustand versetzt.
Mit einem Generator des Ultraschallschweißgeräts 4 wird hochfrequenter Wechselstrom für einen Ultraschallwandler (sogenannter „Konverter”) erzeugt, der entsprechend des hochfrequenten Wechselstroms mechanische Bewegungen im Ultraschallfrequenzbereich generiert. Die mechanischen Bewegungen werden über ein Amplitudentransformationsstück auf eine Sonotrode 5 des Ultraschallschweißgeräts 4 übertragen, die wiederum die Ultraschallschwingungen U auf das Halbzeugband 3 und das Faserverbundbauteil C überträgt.
Ein stoffschlüssiges Fügen des Halbzeugbands 3 mit der Schnittkante E des Faserverbundbauteils C kann dadurch erreicht werden, dass die Ultraschallschwingungen U der Sonotrode 5 unter einem vorbestimmten Anpressdruck in das Halbzeugband 3 eingetragen werden. Dies bedingt Molekular- und Grenzflächenreibung zwischen dem Halbzeugband 3 und dem Faserverbundbauteil C, so dass sich die Fügepartner erhitzen und lokal aufschmelzen. Im Aufschmelzbereich A verbindet sich das Halbzeugband 3 mit der Schnittkante E des Faserverbundbauteils C stoffschlüssig.
Im Falle, dass das Faserverbundbauteil C nicht mit einer thermoplastischen Matrix versetzt ist, sondern beispielsweise mit einer duroplastischen Matrix, führt ein Eintrag von Ultraschallschwingungen U der Sonotrode 5 in das Halbzeugband 3 zu einem thermoplastischen Verkleben bzw. Fügen des Halbzeugbands 3 mit der Schnittkante E des Faserverbundbauteils C. Die thermoplastische Fügung basiert hierbei auf der Adhäsion des aufgeschmolzenen Halbzeugbands 3 an dem Fügepartner, das heißt der Schnittkante E des Faserverbundbauteils C. Für das thermoplastische Verkleben ist in diesem Fall vorteilhafterweise kein zusätzlicher Klebstoff notwendig – das Aufschmelzen des thermoplastischen Halbzeugbands 3 gewährleistet die adhäsive Haftung auch auf einen nicht-thermoplastischen Werkstoff wie etwa einem Faserverbundbauteil C mit duroplastischer Matrix.
Für die Sonotrode 5 können unterschiedliche Bauformen eingesetzt werden, beispielsweise prismatische, zylindrische oder katenoidale Sonotroden, die zum Beispiel aus Stahl, Aluminium oder Titan hergestellt sind. Es kann in kontinuierlichen Ultraschallschweißprozessen vorteilhaft sein, eine Rotationssonotrode als Sonotrode 5 einzusetzen, um das Halbzeugband 3 bei gleichmäßiger Durchführung des Faserverbundbauteils C durch die Versiegelungsvorrichtung S kontinuierlich an die Schnittkante E anzuschweißen.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens M zum Kantenversiegeln von Faserverbundbauteilen, beispielsweise von carbonfaserverstärkten Kunststoffbauteilen („carbon-fiber-reinforced plastic”, CFRP). Zur Implementierung des Verfahrens M in 2 kann eine Versiegelungsvorrichtung verwendet werden, beispielsweise eine Versiegelungsvorrichtung S wie im Zusammenhang mit 1 erläutert.
In einem ersten Schritt M1 erfolgt ein Auflegen eines thermoplastischen Halbzeugs 3 auf eine Schnittkante E eines Faserverbundbauteils C, beispielsweise über ein kontinuierliches Zuführen des thermoplastischen Halbzeugs 3 als thermoplastisches Halbzeugband. Dabei kann die Breite des thermoplastischen Halbzeugbands 3 der Schnittkantenbreite der Schnittkante E des Faserverbundbauteils C entsprechen. Als Material für das thermoplastische Halbzeug 3 kommt zum Beispiel Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, Polyphenylensulfid, Polyetherimid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyarylenetherketon oder Polysulfon in Frage.
In einem anschließenden Schritt M2 wird das thermoplastische Halbzeug 3 mit der Schnittkante E des Faserverbundbauteils C durch Ultraschallschweißen stoffschlüssig oder thermoplastisch gefügt. Dies kann beispielsweise über einen Ultraschallschweißprozess mit einer Rotationssonotrode 5 erfolgen.
Bezugszeichenliste

2: Bandzufuhreinrichtung
3: thermoplastisches Band
4: Ultraschallschweißgerät
5: Sonotrode
A: Schweißbereich
C: Faserverbundbauteil
E: Schnittkante
M: Verfahren
M1: Verfahrensschritt
M2: Verfahrensschritt
S: Versiegelungsvorrichtung
U: Ultraschallschwingungen
v: Bewegungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 567948 A [0004]
DE 4445842 A1 [0004]
DE 102009060692 A1 [0004]

Claims

Verfahren (M) zur Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen (C), mit den Schritten: Auflegen (M1) eines thermoplastischen Halbzeugs (3) auf eine Schnittkante (E) eines Faserverbundbauteils (C); thermoplastisches oder stoffschlüssiges Fügen (M2) des thermoplastischen Halbzeugs (3) mit der Schnittkante (E) des Faserverbundbauteils (C) durch Ultraschallschweißen.
Verfahren (M) nach Anspruch 1, wobei das Auflegen (M1) des thermoplastischen Halbzeugs (3) ein kontinuierliches Zuführen des thermoplastischen Halbzeugs (3) als thermoplastisches Halbzeugband auf die Schnittkante (E) des Faserverbundbauteils (C) umfasst.
Verfahren (M) nach Anspruch 2, wobei die Breite des thermoplastischen Halbzeugbands (3) der Schnittkantenbreite der Schnittkante (E) des Faserverbundbauteils (C) entspricht.
Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das thermoplastische Halbzeug (3) ein Band aus Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, Polyphenylensulfid, Polyetherimid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyarylenetherketon oder Polysulfonen umfasst.
Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das thermoplastische oder stoffschlüssige Fügen (M2) ein Ultraschallschweißen mit einer Rotationssonotrode (5) umfasst.
Verfahren (M) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das thermoplastische Fügen (M2) ein thermoplastisches Verkleben des thermoplastische Halbzeugs (3) mit der Schnittkante (E) des Faserverbundbauteils (C) umfasst.
Versiegelungsvorrichtung (S) zur Kantenversiegelung von Faserverbundbauteilen (C), mit: einer Bandzufuhreinrichtung (2), welche dazu ausgelegt ist, ein thermoplastisches Halbzeug (3) auf eine Schnittkante (E) eines Faserverbundbauteils (C) aufzulegen; und einem Ultraschallschweißgerät (4, 5), welches dazu ausgelegt ist, das thermoplastische Halbzeug (3) thermoplastisch oder stoffschlüssig mit der Schnittkante (E) des Faserverbundbauteils (C) durch Ultraschallschweißen zu fügen.
Versiegelungsvorrichtung (S) nach Anspruch 7, wobei die Bandzufuhreinrichtung (2) eine Haspel aufweist, die dazu ausgelegt ist, das thermoplastische Halbzeug (3) als thermoplastisches Halbzeugband kontinuierlich auf die Schnittkante (E) des Faserverbundbauteils (C) zuzuführen.
Versiegelungsvorrichtung (S) nach Anspruch 8, wobei die Breite des thermoplastischen Halbzeugbands (3) der Schnittkantenbreite der Schnittkante (E) des Faserverbundbauteils (C) entspricht.
Versiegelungsvorrichtung (S) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das thermoplastische Halbzeug (3) ein Band aus Polyetherketon, Polyetheretherketon, Polyetherketonketon, Polyphenylensulfid, Polyetherimid, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyarylenetherketon oder Polysulfonen umfasst.
Versiegelungsvorrichtung (S) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Ultraschallschweißgerät (4, 5) eine Rotationssonotrode (5) umfasst.