DE102015121067B4

DE102015121067B4 - Verfahren zur Reparaturvorbereitung von Faser-Kunststoff-Verbünden

Info

Publication number: DE102015121067B4
Application number: DE102015121067.3A
Authority: DE
Inventors: Chokri Cherif; Elias Staiger; Kristin Küchler; Rolf-Dieter Hund
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2035-12-04
Also published as: DE102015121067A1

Abstract

Verfahren zum Vorbereiten der Reparatur eines Reparaturbereichs (4) eines Bauteils (1) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) mit einer Matrix (3) aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, wobei der Reparaturbereich (4) einen Schadensbereich (5) mit zumindest geschädigter Matrix (3) und ggf. auch geschädigter oder zerstörter Faserstruktur umfasst, und wobei die Matrix (3) im Reparaturbereich (4) durch mindestens einen Metalloxid-Halbleiter (7) an- oder aufgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorläufersubstanz (6) für den mindestens einen Metalloxid-Halbleiter (7) in flüssiger oder flüssig gelöster Form mit dem Reparaturbereich (4) in Kontakt gebracht wird und dass aus dieser Vorläufersubstanz (6) der entsprechende Metalloxid-Halbleiter (7) entsteht, der sich dann stoffschlüssig mit dem Matrixmaterial verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten der Reparatur eines Reparaturbereichs eines Faser-Kunststoff-Verbundes (FKV) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gleichfalls umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Reparieren eines solchen Reparaturbereichs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 und die Verwendung einer Vorläufersubstanz für einen Metalloxid-Halbleiter gemäß Anspruch 13.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 10 2013 112 933 A1 der Anmelderin bekannt. Diese offenbart den thermisch oxidativen Abtrag von Matrixmaterialien auf duromerer, thermoplastischer oder elastomerer Matrixbasis mit pulverförmigen oder flächigen gesinterten anorganischen Metalloxid-Halbleitern. Dieses Verfahren stellt eine bedeutende Weiterentwicklung gegenüber den anderen bekannten und immer noch fast überwiegend eingesetzten Verfahren dar. Insbesondere ist das in der DE 10 2013 112 933 A1 offenbarte Verfahren sowohl für duromere als auch thermoplastische Matrizen einsetzbar.
Dies trifft für die vormals bekannten Verfahren nicht zu. Bei duromerer Matrixbasis sind die immer noch am häufigsten anzutreffenden Verfahren zur Wiederherstellung von FKV-Bauteilen das Schäften, die Doppler-Reparatur, die Sandwichreparatur oder das Interlock-Reparaturverfahren. Alle diese Verfahren zielen darauf ab, mittels mechanischer Werkzeuge, starkem Wasserstrahl oder Laser Material im Schadensbereich abzutragen. Bei einem bekannten chemischen, aber nur eingeschränkt verwendbaren Abtragverfahren werden Lösungsmittel eingesetzt, um die Matrix eines speziellen Organo-Cyanat-basierten duromeren Harzsystems zu entfernen.
Für beschädigte FKV-Strukturen auf Basis von thermoplastischen Matrixsystemen zählten zu den vor der DE 10 2013 112 933 A1 bekannten Reparaturverfahren das Fusion Bonding, das Patch Repair und das Thermo Reforming. Ihnen allen fehlt jedoch die universelle Anwendbarkeit. Zudem sind sie manuell sehr aufwändig und die Reparaturqualität ist relativ schlecht. Auch wird die ursprüngliche Tragfähigkeit aufgrund der Kraftflussunterbrechung in den meisten Fällen bei weitem nicht wieder erreicht.
Die DE 10 2013 112 933 A1 schlägt zur Behebung der obigen Nachteile vor, einen Metalloxid-Halbleiter mit dem Reparaturbereich in Kontakt zu bringen. Durch katalysierende Aktivierung, insbesondere durch Erhitzen mittels einer Wärmequelle, wird die Matrix im Reparaturbereich an- oder aufgelöst. Der Entzug der Wärmequelle beendet die Reaktion. Eine detaillierte Erklärung des Ablaufs der involvierten chemischen Reaktionen ist in der DE 10 2013 112 933 A1 gegeben. Bei dem bevorzugten vollständigen Entfernen des Matrixmaterials im Reparaturbereich wird die textile Grundstruktur, die ungeschädigt oder geschädigt (bis ganz zerstört) sein kann, freigelegt. Der freigelegte, für die Reparatur vorbereitete, den Schadensbereich einschließende Reparaturbereich kann dann in einem weiteren Schritt wieder instandgesetzt werden, vorzugsweise - im Falle einer Harzmatrix - durch Füllung mit Harz, wobei insbesondere bei geschädigter Textil- bzw. Verbundstruktur zuvor ein entsprechendes Reparaturpatch in den Reparaturbereich eingebracht wird. Im Vergleich zu anderen Reparaturverfahren ist dieses Verfahren universell, d.h. unabhängig vom Matrixsystem anwendbar. Das Verfahren ist somit unabhängig vom verwendeten duromeren Harzsystem oder thermoplastischen oder elastomeren Martrixwerkstoff. FKV-Bauteile mit geschädigter oder zerstörter Verstärkungsstruktur können somit repariert werden, anstatt diese auszutauschen. Mit dem Verbundneuaufbau im Reparaturbereich wird die Bauteilgeometrie nicht verändert. Dies ist insbesondere bei aerodynamisch relevanten Bauteilen von enormem Vorteil. Potenziell ist das Verfahren auch an Bauteilen anwendbar, die nicht oder nur unter erheblichem Aufwand ausgebaut werden können.
Dennoch weist das in der DE 10 2013 112 933 A1 beschriebene Verfahren Nachteile auf. So ist der Einsatz der relativ dicken feststoffförmigen Schichten wenig effektiv, da eine relativ hohe Energiezufuhr zur Aktivierung notwendig ist. Auch ist das Verfahren praktisch nur bei horizontal platzierten Werkstücken anwendbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das in der DE 10 2013 112 933 A1 beschriebene Verfahren zum Vorbereiten und Reparieren von FKV-Bauteilen mit geschädigter Matrix und ggf. zusätzlich geschädigter oder zerstörter textilbasierter Verstärkungsstruktur weiter zu entwickeln und insbesondere anwenderfreundlicher und effektiver zu gestalten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass nicht unmittelbar ein Metalloxid-Halbleiter, beispielsweise in Pulverform, auf die Reparaturstelle aufgebracht wird, sondern eine Vorläufersubstanz (auch Precursor genannt) für den Metalloxid-Halbleiter in flüssiger oder in flüssig gelöster Form auf den Reparaturbereich aufgebracht wird. Hierbei bedeutet „flüssig gelöste Form“, dass die Vorläufersubstanz in einer Flüssigkeit gelöst vorliegt, insbesondere in mindestens einem Lösungsmittel gelöst. Die besagte Vorläufersubstanz wandelt sich dann durch chemische Reaktion (z.B. Hydrolyse) in den entsprechenden Metalloxid-Halbleiter um. Der Metalloxid-Halbleiter verbindet sich dabei stoffschlüssig mit dem Matrixmaterial und kann die Matrix auflösen. Somit kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar auf der Oberfläche der zu entfernenden Matrix ein Metalloxid-Halbleiter entstehen, der sich im Anschluss an den Auftrag der flüssigen oder flüssig gelösten Metalloxid-Halbleiter-Vorläufersubstanz bildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, die mindestens eine besagte Vorläufersubstanz in einer dünnen flüssigen Schicht aufzutragen, da diese ausreicht, um dann eine dünne Wirkstoffschicht des Metalloxid-Halbleiters auszubilden. Aufgrund des stoffschlüssigen Kontakts des Metalloxid-Halbleiters mit der Matrixoberfläche reicht eine solche dünne Wirkstoffschicht, so dass auch nur ein entsprechend geringer Energieeintrag zur Aktivierung des Metalloxid-Halbleiters notwendig ist. Ein anderer bedeutender Vorteil der Erfindung ist es, dass aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung des Metalloxid-Halbleiters die Vorläufersubstanz nicht nur von oben und in waagerechter Position des FKV-Bauteils - wie im Falle der pulverförmigen oder in Form von Sinterpads vorliegenden Metalloxid-Halbleitersubstanzen -, sondern auch in schrägen, senkrechten oder sogar horizontal untenliegenden Stellungen des zu reparierenden Bauteils aufgetragen werden kann.
Der Auftrag von flüssigen oder flüssig gelösten, gut benetzenden und hoch adhäsiven Vorläufersubstanzen gemäß der Erfindung führt zu einer sehr eng anliegenden dünnen Schicht thermooxidativ wirksamer Halbleitersubstanzen, die in dieser Form weitaus effektiver und energieärmer die chemische Umwandlung von zu entfernenden duromeren oder thermoplastischen Matrixmaterialien in Schadensbereichen von faserverstärkten Bauteilen vornehmen.
Im Rahmen dieser Erfindung werden unter dem Begriff „Metalloxid“ chemische Verbindungen zwischen einem Metall und Sauerstoff verstanden. Unter dem Begriff „Metalloxid-Halbleiter“ werden vorliegend Metalloxide verstanden, die Halbleiter sind, d.h. Festkörper, welche abhängig von ihrem Zustand als elektrische Leiter oder Nichtleiter wirken. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark temperaturabhängig. Bei Raumtemperatur sind sie je nach materialspezifischem Abstand von Leitungs- und Valenzband leitend oder nichtleitend. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern nimmt bei steigender Temperatur zu.
Besonders bevorzugt wird die mindestens eine Vorläufersubstanz auf das Bauteil getropft, gepinselt, gerakelt und/oder gesprüht. All diese Arbeiten sind auch an schräg oder senkrecht aufgestellten Bauteilabschnitten und auch über Kopf ausführbar. Insgesamt können somit auch geometrisch kompliziert geformte zu reparierende Bauteile relativ einfach erreicht werden. Auch ansonsten mit Pulver oder Sinterpads schwer zu erreichende Zwischenräume sind mit der flüssigen oder flüssig gelösten Vorläufersubstanz hinreichend abdeckbar.
Die Prozessbedingungen für die besagte Umwandlung werden besonders bevorzugt derart eingestellt, dass eine Hydrolyse eintritt, demnach hier die Spaltung der Vorläufersubstanz durch Reaktion mit Wasser. Dieser chemische Prozess läuft relativ schnell ab und ist relativ einfach zu steuern.
Demgemäß umfasst das Einstellen der Prozessbedingungen bevorzugt das Aussetzen des Bauteils der Luftfeuchtigkeit der Umgebung. Hierdurch wird Wasser der Umgebungsluft als Reaktant zur Verfügung gestellt, um die gewünschte Hydrolyse-Reaktion zu realisieren.
Bevorzugt wird mindestens eine in einem Lösungsmittel vorliegende Vorläufersubstanz verwendet. Vorzugsweise werden nach der Umwandlung der Vorläufersubstanz in einen Metalloxid-Halbleiter die Prozessbedingungen dann derart eingestellt, dass zumindest Teile des besagten Lösungsmittels, vorzugsweise das gesamte noch vorhandene Lösungsmittel, im Rahmen eines Trocknungsprozesses verdampft. Eine solche Prozessbedingung ist einfach zu realisieren, beispielsweise durch Einstellung der Temperatur, um den Verdampfungsgrad einzustellen. Es ist ggf. auch möglich, die besagte Umwandlung der Vorläufersubstanz in einen Metalloxid-Halbleiter durch eine Verdampfung des Lösungsmittels zu beschleunigen.
Nach dem erfindungsgemäßen Auftragen der Metalloxid-Halbleiter-Vorläufersubstanz in flüssiger Form auf das FKV-Bauteil und deren Umwandlung in einen Metalloxid-Halbleiter, der sich dann stoffschlüssig mit dem Matrixmaterial verbindet, wird der Metalloxid-Halbleiter durch einen definierten Energieeintrag aktiviert, um die Matrixzersetzung zu starten. Vorzugsweise ist diese Aktivierung eine thermische Aktivierung, bei der eine oder mehrere Aktivierungsquellen verwendet werden. Hierfür eignen sich beispielsweise mindestens eine Infrarotquelle, eine Heißluftquelle, Heizstäbe, Heizdrähte, Heizflammen, Laser oder eine induktiv anregbare Heizquelle, wobei die eine oder mehreren Aktivierungsquellen auf den Reparaturbereich gerichtet werden, wobei die im Reparaturbereich erzielte Temperatur vorzugsweise oberhalb 400 °C, vorteilhafterweise oberhalb 450 °C, liegt. Die oben genannten Aktivierungsquellen sind im Wesentlichen Wärmequellen. Neben ihrer thermischen Aktivierung sind die Metalloxid-Halbleiter aber auch mittels UV-Strahlung anregbar. Besonders bevorzugt ist eine Kombination von UV- und IR-Aktivierungsquellen, mit der es möglich ist, die Aktivierungstemperaturen zu reduzieren, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren besonders bevorzugt auch auf Faserkunststoffverbunde (FKV) mit begrenzt temperaturstabilem Faserverstärkungsmaterial, wie z.B. glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), anwendbar ist. Durch die genannte Kombination von UV- und IR-Aktivierungsquellen konnte die Aktivierungstemperatur insbesondere um bis zu 50 % reduziert werden.
Vorzugsweise wird die Vorläufersubstanz mit einer Schichtdicke von nicht mehr als 500 µm auf das Bauteil aufgetragen. Durch die Schichtdicke lässt sich die Wirksamkeit des resultierenden Metalloxid-Halbleiters einstellen.
Vorteilhafterweise wird die mindestens eine Vorläufersubstanz ausgewählt aus der Gruppe, die Metallalkoxide und Metall-Oxoalkoxide umfasst: Dabei wird unterschieden in homoleptische Alkoxide, d.h. das Zentralatom ist mit gleichartigen Liganden umgeben (z.B. Alkoxyliganden, aminofunktionalisierten Liganden), und heteroleptische Alkoxide, d.h. das Zentralatom ist mit verschiedenen Liganden (z.B. gesättigte und ungesättigte organische Gruppen, Alkyl- oder Arylreste) umgeben.
Besonders bevorzugt wird die mindestens eine flüssige oder lösliche Vorläufersubstanz derart ausgewählt, dass aus ihr ein Metalloxid-Halbleiter entsteht, welcher der Gruppe mit folgenden Mitgliedern angehört: TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃ FeO, ZrO₂, WO₃, MoO₃, MnO₂, Ta₂O₅, CuO, Cu₂O, V₂O₅, Co₃O₄, CeO₂. Mischungen aus mehreren der vorgenannten Verbindungen sind ebenfalls möglich. Die Vorläufersubstanz ist hierbei besonders bevorzugt eine metallorganische Verbindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Vorläufersubstanz in den Metalloxid-Halbleiter TiO₂ umgewandelt, der sich als äußerst effektiv beim Matrixabbau herausgestellt hat. TiO₂ kann aus verschiedenen Vorläufersubstanzen erhalten werden, beispielsweise aus Titanbutoxid.
Das oben beschriebene erfindungsgenmäße Vorbereiten des Reparaturbereichs durch Anlösen oder vollständiges Auflösen der Harzmatrix ermöglicht in einem sich anschließenden Schritt die Reparatur des Bauteils.
Bei lediglich geschädigter Matrix, d.h. bei ungeschädigter Textil- bzw. Verbundstruktur, muss lediglich die Matrix wieder aufgebaut werden. Bei zusätzlich geschädigter Verbundstruktur wird bevorzugt ein Reparaturpatch in den Reparaturbereich eingepasst. Hierbei hat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Reparaturpatch die gleiche oder eine strukturell vergleichbare textile Struktur wie das zu reparierende FKV-Bauteil. Durch die strukturelle Anpassung des Reparaturpatches an die originale Verbundstruktur können optimale Kraftflussübertragungen erzielt werden. Details zur Auswahl und Anfertigung eines entsprechenden Reparaturpatches sind in der oben genannten DE 10 2013 112 933 A1 beschrieben, deren entsprechender Offenbarungsgehalt hiermit eingeschlossen wird. Insbesondere wird vorteilhafterweise die Geometrie des Reparaturpatches dem Reparaturbereich angepasst, so dass der Reparaturpatch größer ist als der Schadensbereich. Somit kann mit dem Patch ein kraftflussgerechter Übergang zur intakten ungeschädigten textilen Grundstruktur gewährleistet werden.
Das angefertigte textile Reparaturpatch wird in den matrixbefreiten Reparaturbereich eingepasst. Anschließend wird die Verbundstruktur im Falle einer duromeren Harzmatrix vorzugsweise durch eine lokale Matriximprägnierung mit einem kompatiblen Harzsystem (vorteilhafterweise durch ein Harzinjektionsverfahren, vorzugsweise mittels lokaler Vakuuminfusion), oder im Falle einer thermoplastischen oder elastomeren Matrix durch Einbringung thermoplastischer bzw. elastomerer Matrixmaterialien und dessen anschließender Vernetzung wiederhergestellt. Auch wenn auf einen Reparaturpatch verzichtet wird, kann die Matrix mittels lokaler Matriximprägnierung bzw. Einbringung thermoplastischer bzw. elastomerer Matrixmaterialien wieder aufgebaut werden. Eine Funktionalisierung des Reparaturbereichs zur besseren Haftung zwischen alter und neuer Matrix ist möglich.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung mindestens einer flüssigen oder flüssig gelösten Vorläufersubstanz für einen Metalloxid-Halbleiter zum Aufbringen auf einen Bereich eines FKV-Bauteils mit einer Matrix aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen. Der besagte Bereich umfasst vorzugsweise einen Reparaturbereich, der seinerseits vorzugsweise einen Schadensbereich mit zumindest geschädigter Matrix und ggf. (d.h. wenn einschlägig) auch geschädigter oder zerstörter Faserstruktur umfasst. Nach Umwandlung, vorzugsweise durch Hydrolyse, der mindestens einen Vorläufersubstanz in einen Metalloxid-Halbleiter wird mittels Aktivierung, vorzugsweise thermische Aktivierung, die Matrix im besagten Bereich durch thermooxidative Wirkung des Metalloxid-Halbleiters an- oder aufgelöst. Der derartig bearbeitete Bereich kann mit einem Patch gefüllt werden, im Falle eines zu reparierenden Bereichs demnach ein Reparaturpatch. Es können alternativ oder zusätzlich auch Inserts und/oder Sensoren integriert werden.
Ein exakt definiert eingegrenzter Reparaturbereich kann erhalten werden, wenn eine Schablone mit einem dem zu reparierenden Bereich entsprechenden Ausschnitt angefertigt und nachfolgend auf den Reparaturbereich gelegt wird, bevor die mindestens eine flüssige oder flüssig gelöste Vorläufersubstanz für einen Metalloxid-Halbleiter aufgebracht, beispielsweise aufgepinselt oder aufgesprüht, wird. Gemäß einer Alternative wird der Reparaturbereich vor Kontaktierung mit der mindestens einen flüssigen oder flüssig gelösten Vorläufersubstanz durch Steuerung einer Energiequelle, beispielsweise einem Laser, hochpräzise eingegrenzt. Zudem kann das später einzusetzende Reparaturpatch basierend auf demselben Datensatz, wie er bei der Eingrenzung des Reparaturbereichs vorgegeben oder erhalten wird, angefertigt werden. Hierfür ist wiederum ein Laser einsetzbar.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines FKV-Bauteils auf Harzmatrixbasis mit geschädigter Verbundstruktur;
2 eine geschnittene schematische Seitenansicht des FKV-Bauteils gemäß der 1 (Schnitt entlang A-A der 1);
3 den eingegrenzten Reparaturbereich und den Auftrag einer flüssigen oder flüssig gelösten Vorläufersubstanz für einen Metalloxid-Halbleiter (perspektivische Ansicht);
4 eine geschnittene schematische Seitenansicht des FKV-Bauteils gemäß der 3;
5 die Zufuhr von Wasser aus der Umgebungsluft und ggf. von Wärme zum Reparaturbereich (perspektivische Ansicht);
6 eine geschnittene schematische Seitenansicht des FKV-Bauteils gemäß der 5 mit auf dem Reparaturbereich haftender Metalloxid-Halbleiter-Schicht;
7 das Aktivieren der katalytischen Wirkung des Metalloxid-Halbleiters durch Wärmezufuhr (perspektivische Ansicht);
8 eine geschnittene schematische Seitenansicht des FKV-Bauteils gemäß der 7 mit sich im Reparaturbereich auflösender Matrix;
9 die aufgelöste Matrix im FKV-Bauteil sowie das Einbringen eines angepassten textilen Reparaturpatches (perspektivische Ansicht);
10 eine geschnittene schematische Seitenansicht des FKV-Bauteils gemäß der 9;
11 den lokalen Neuaufbau des FKV-Bauteils durch Matriximprägnierung mit einem duromeren Harzsystem (perspektivische Ansicht).

In den 1 (perspektivische Draufsicht) und 2 (geschnittene Seitenansicht) ist schematisch ein FKV-Bauteil 1 mit einer textilen Verstärkungsstruktur 2 aus Endlosfasern, beispielsweise Carbon-Endlosfasern, dargestellt. Alternativ kann das FKV-Bauteil 1 auch aus anderen temperaturbeständigen Fasermaterialien bestehen. Das FKV-Bauteil 1 weist vorliegend eine Harzmatrix 3 aus beispielsweise einem handelsüblichen duromeren Epoxidharz auf. Alternativ liegt eine Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen vor, beispielsweise auf Grundlage von Polypropylen, Polyamid oder Polyurethan. Die textile Verstärkungsstruktur 2 ist in die Harzmatrix 3 eingebettet und in den geschnittenen Seitenansichten mit gestrichelten Linien angedeutet.
Gezeigt ist in den 1 und 2 ein Schadensbereich 5, wobei in diesem Schadensbereich 5 im Wesentlichen nur die beschädigte Harzmatrix 3 (angedeutet mit Rissen) sichtbar ist. Der Schadensbereich 5 weist reduzierte Verbundeigenschaften auf, wobei der zu reparierende Bereich des Bauteils 1 zusätzlich zu diesem offensichtlichen Schadensbereich 5 auch den denjenigen Bereich umfasst, in dem eine Schädigung der textilen Verstärkungsstruktur 2 durch den Schadensfall nicht ausgeschlossen werden kann. Dieser gesamte Bereich wird im Folgenden auch als Reparaturbereich 4 bezeichnet.
Entsprechend diesem Reparaturbereich 4 ist in der 3 die Eingrenzung des vom Reparateur zu reparierenden Bereichs eingezeichnet. Dieser Reparaturbereich 4 wird beispielsweise durch eine Schablone (nicht dargestellt) oder durch einen den Reparaturbereich 4 umfahrenden Laser (nicht dargestellt) eingegrenzt, um anschließend auf die somit exponierte FKV-Oberfläche des Reparaturbereichs 4 eine flüssige oder flüssig gelöste Vorläufersubstanz 6 für einen Metalloxid-Halbleiter 7 aufzutragen, beispielsweise mit einem (symbolisch angedeuteten) Pinsel 12 aufzustreichen. Die Vorläufersubstanz 6 kann beispielsweise in die Metalloxid-Halbleiter TiO₂ oder Cr₂O₃ umgewandelt werden. Mittels der genannten Schablone kann der von der flüssigen oder flüssig gelösten Vorläufersubstanz 6 abzudeckende Bereich eingegrenzt werden. Die Vorläufersubstanz 6 dringt in die beschädigten Matrixhohlräume bzw. Matrixzwischenräume ein und füllt diese aus (s. insbesondere 4).
Die 5 zeigt schematisch, wie die Vorläufersubstanz 6 durch Aussetzen des Bauteils 1 an der Umgebungsluft mit dem darin enthaltenden Wasserdampf - angedeutet mit dem Bezugszeichen „H₂O“ - mittels Hydrolyse in einen Metalloxid-Halbleiter 7 umgewandelt wird. Eine sich vorteilhafterweise anschließende, optionale Wärmezufuhr dient dazu, den Verdampfungsprozess von einem Lösungsmittel LM, in welchem die Vorläufersubstanz 6 gelöst ist bzw. gelöst war, zu beschleunigen.
Durch die Hydrolyse, ggf. mit Unterstützung des Verdampfungsprozesses, entsteht im Reparaturbereich 4 der gewünschte Metalloxid-Halbleiter 7, der sich dann ebenfalls in den Matrixzwischenräumen befindet sowie als dünne Oberflächenschicht den Reparaturbereich 4 einschließlich des Schadensbereichs 5 abdeckt (s. insbesondere 6). Der Metalloxid-Halbleiter 7 verbindet sich hierbei stoffschlüssig mit der Harzmatrix 3.
In der 7 ist die Zuführung von Wärmeenergie W, beispielsweise in Form von Infrarotstrahlung oder Heißluft oder Laserenergie oder induktiver Beheizung mit einer Temperatur im Bereich von ca. 400 °C bis 550 °C, schematisch dargestellt. Hierdurch wird der katalytische Abbau der hier vorliegenden duromeren Harzmatrix 3 aus Epoxidharz gestartet. In Folge tritt die Zersetzung der Harzmatrix 3 im Bereich des anhaftenden Metalloxid-Halbleiters 7 in die Abbauprodukte CO₂ und H₂O ein, wie in der 8 durch den teilweise schon zersetzten bzw. angelösten Matrixbereich 8a dargestellt. Durch Ausschalten oder Entfernen der Energiequelle wird der katalytische Matrixabbau beendet.
Durch den Einsatz des mindestens einen Metalloxid-Halbleiters 7 als Katalysator kann das duromere oder thermoplastische oder elastomere Matrixmaterial 3 des FKV- Bauteils 1 gezielt vollständig entfernt werden, um die textile Verstärkungsstruktur 2 freizulegen, s. die 9 und insbesondere die 10 mit dem entfernten Matrixbereich 8.
Nach erfolgtem Matrixabbau liegt die textile - geschädigte oder ungeschädigte - Verstärkungsstruktur 2 des FKV-Bauteils 1 im Reparaturbereich 4 frei. Die 1-8 sind sowohl für Fall einer geschädigten als auch einer ungeschädigten Verstärkungsstruktur 2 einschlägig.
In der 9 ist explizit der Fall der lokalen Schädigung der textilen Verstärkungsstruktur 2 dargestellt. Zur Wiederherstellung der ursprünglichen Verbundeigenschaften wird ein entsprechend der Bauteilbelastung angepasstes textiles Reparaturpatch 9 erstellt und eingepasst. Für die Erstellung des Patches 9 wird - bezogen auf den Schadensbereich 5 - vorzugsweise eine Analyse, bspw. auf Grundlage der Methode der Finiten Elemente, hinsichtlich des Einflusses auf die vom Bauteil 1 geforderten Trageigenschaften durchgeführt. Auf dieser Basis kann ein belastungsgerecht angepasstes textiles Reparaturpatch 9 ausgewählt oder simulationsbegleitend, wie z. B. im sog. Tailored Fibre Placement (maßgeschneidertes Fasereinsetzen), entwickelt und angefertigt werden. In der vorliegenden Darstellung weist das Reparaturpatch 9 die gleiche Textilstruktur auf wie die Verstärkungsstruktur 2 (s. 1) des FKV-Bauteils. Da der Reparaturbereich 4 vorzugsweise größer ist als der Schadensbereich 5, kann mit dem Reparaturpatch 9 ein kraftflussgerechter Übergang zur intakten ungeschädigten textilen Grundstruktur erzielt werden.
Wie gleichfalls den 9 und 10 zu entnehmen ist, wird zur Herstellung der ursprünglichen Verbundeigenschaften das entsprechend der Bauteilbelastung angepasste textile Reparaturpatch 9 in die matrixbefreite geschädigte Verstärkungsstruktur 2 eingepasst. Eine Oberflächenbehandlung in Form einer Funktionalisierung des Reparaturbereichs 4 zur Erzielung einer besseren Verbundhaftung zwischen vorhandenem und neuem Verbundmaterial kann vorgenommen werden.
In der 11 ist angedeutet, dass anschließend durch eine an sich bekannte lokale Vakuuminfusion mit einem kompatiblen duromeren Harzsystem die Harzmatrix 3 im mit dem Bezugszeichen bezeichneten Bereich 10 durch entsprechende Vernetzung lokal wieder aufgebaut wird.
Insgesamt kann mit dem geschilderten Verfahren eine vollständig wiederhergestellte FKV-Struktur mit den ursprünglichen Verbundeigenschaften erhalten werden. Mit anderen Worten kann das reparierte FKV-Bauteil 1 den gleichen Kräften standhalten wie das ungeschädigte.
Gemäß einer Alternative, bei der keine tiefere Schadensanalyse durchgeführt und kein speziell hergestellter Reparaturpatch verwendet wird, kann auch ein Reparaturpatch aus nicht speziell angefertigtem kompatiblem Verstärkungshalbzeug verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei der alleinigen Schädigung der Matrix, d.h. ohne beschädigte Faserstrukturen, eingesetzt werden. Hierbei wird durch die katalytische Wirkung von mindestens einem Metalloxid-Halbleiter die geschädigte duromere Harzmatrix oder die Matrix thermoplastischen bzw. elastomeren Ursprungs im Reparaturbereich entfernt und die intakte Verstärkungsstruktur freigelegt.
Die oben beschriebenen Prozesse können auch teil- bzw. vollautomatisiert durchgeführt werden.
Die in den Figuren dargestellten und im Zusammenhang mit diesen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind nicht beschränkend auszulegen.
Bezugszeichenliste

1: FKV-Bauteil
2: textile Verstärkungsstruktur
3: Harzmatrix
4: Reparaturbereich
5: Schadensbereich
6: Vorläufersubstanz
7: Metalloxid-Halbleiter
8a: angelöster Matrixbereich
8: entfernter Matrixbereich
9: Reparaturpatch
10: wieder aufgebauter Matrixbereich
12: Pinsel
H₂O: Wasser / Wasserdampf
T: Temperatur
LM: Lösungsmittel
W: Wärme
CO₂: Kohlendioxid

Claims

Verfahren zum Vorbereiten der Reparatur eines Reparaturbereichs (4) eines Bauteils (1) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) mit einer Matrix (3) aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, wobei der Reparaturbereich (4) einen Schadensbereich (5) mit zumindest geschädigter Matrix (3) und ggf. auch geschädigter oder zerstörter Faserstruktur umfasst, und wobei die Matrix (3) im Reparaturbereich (4) durch mindestens einen Metalloxid-Halbleiter (7) an- oder aufgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorläufersubstanz (6) für den mindestens einen Metalloxid-Halbleiter (7) in flüssiger oder flüssig gelöster Form mit dem Reparaturbereich (4) in Kontakt gebracht wird und dass aus dieser Vorläufersubstanz (6) der entsprechende Metalloxid-Halbleiter (7) entsteht, der sich dann stoffschlüssig mit dem Matrixmaterial verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorläufersubstanz (6) auf das Bauteil (1) getropft, gepinselt, gerakelt und/oder gesprüht wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessbedingungen für die besagte Umwandlung derart eingestellt werden, dass eine Hydrolyse stattfindet, im Zuge derer die mindestens eine Vorläufersubstanz (6) in den Metalloxid-Halbleiter (7) umgewandelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorläufersubstanz (6) in einem Lösungsmittel (LM) vorliegt und dass zumindest Teile dieses Lösungsmittels (LM) nach Umwandlung der mindestens einen Vorläufersubstanz (6) in einen Metalloxid-Halbleiter (7) verdampft werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Prozessbedingungen umfasst, dass das Bauteil (1) der umgebenden Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausbilden der Schicht des Metalloxid-Halbleiters (7) der Metalloxid-Halbleiter (7) aktiviert wird, vorzugsweise thermisch, durch UV-Strahlung oder der Kombination aus thermischer und UV-Anregung.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Aktivierungsquelle mindestens eine Infrarotquelle, eine Ultraviolettquelle, eine Kombination von Infrarot- und Ultraviolettquellen, eine Heißluftquelle, Heizstäbe, Heizdrähte, Heizflammen, Laser, eine induktiv anregbare Heizquelle oder Kombinationen der genannten Aktivierungsquellen verwendet werden, wobei die eine oder mehreren Aktivierungsquellen auf den Reparaturbereich (4) gerichtet werden, wobei die im Reparaturbereich (4) erzielte Temperatur vorzugsweise oberhalb 400 °C, vorteilhafterweise oberhalb 450 °C, liegt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorläufersubstanz (6) mit einer Schichtdicke von nicht mehr als 500 µm auf das Bauteil (1) aufgetragen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorläufersubstanz (6) in Form einer flüssigen oder löslichen, metallorganischen Verbindung gewählt ist, aus der sich ein Metalloxid aus der Gruppe TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃ FeO, ZrO₂, WO₃, MoO₃, MnO₂, Ta₂O₅, CuO, Cu₂O, V₂O₅, Co₃O₄, CeO₂ bilden kann.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorläufersubstanz (6) einen Metalloxid-Halbleiter (7) hervorbringt, der aus einer Gruppe stammt, die folgende Mitglieder umfasst: TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃ FeO, ZrO₂, WO₃, MoO₃, MnO₂ Ta₂O₅, CuO, Cu₂O, V₂O₅, Co₃O₄, CeO₂ und Mischungen aus den vorgenannten Verbindungen.
Verfahren zum Reparieren eines geschädigten Bereichs eines Bauteils (1) aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) mit einer Matrix (3) aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Reparaturbereich (4), der nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche vorbereitet wurde, zumindest eine Matrix (3) aus duromerem Harz bzw. eine thermoplastische oder elastomere Matrix wieder aufgebaut wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reparaturpatch (9) in denjenigen Bereich, in dem das Harz an- oder aufgelöst worden ist, stoff- und/oder kraftschlüssig dauerhaft eingepasst wird.
Verwendung mindestens einer flüssigen oder flüssig gelösten Vorläufersubstanz (6) für einen Metalloxid-Halbleiter (7), vorzugsweise TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃ FeO, ZrO₂, WO₃, MoO₃, MnO₂ Ta₂O₅, CuO, Cu₂O, V₂O₅, Co₃O₄, CeO₂ und Mischungen aus den vorgenannten Verbindungen, zum Aufbringen auf einen Bereich eines FKV-Bauteils (1) mit einer Matrix (3) aus duromerem Harz oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen, wobei der besagte Bereich vorzugsweise einen Reparaturbereich (4) umfassend einen Schadensbereich (5) mit zumindest geschädigter Matrix (3) und ggf. auch geschädigter oder zerstörter Faserstruktur umfasst, wobei nach Umwandlung, vorzugsweise durch Hydrolyse, der mindestens einen Vorläufersubstanz (6) in einen Metalloxid-Halbleiter (7) mittels Aktivierung, vorzugsweise thermischer Aktivierung, die Matrix (3) im besagten Bereich (4) durch thermooxidative Wirkung des Metalloxid-Halbleiters (7) an- oder aufgelöst wird.