DE102015221078A1

DE102015221078A1 - Faserverstärktes Metallbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug und Herstellungsverfahren für faserverstärkte Metallbauteile

Info

Publication number: DE102015221078A1
Application number: DE102015221078.2A
Authority: DE
Inventors: Pierre Zahlen; Matthias Hegenbart; Peter Linde
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2017-05-04
Also published as: EP3170587A3; EP3170587A2; US10399657B2; EP3170587B1; US20170297674A1; CN106636986A

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft Herstellungsverfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Metallbauteils (1), welches eine Metall-Matrix (2) aufweist, die von einer Vielzahl von Verstärkungsfasern (3) durchsetzt ist. Ein Herstellungsverfahren umfasst schichtweises Ablegen von Verstärkungsfasern (3) in Faserlagen, schichtweises Ablegen und Verflüssigen eines Metall-Modelliermaterials (4) in Matrixmateriallagen, und schichtweises Konsolidieren des Metall-Modelliermaterials (4) in benachbarten abgelegten Matrixmateriallagen (5) zur Bildung der Metall-Matrix (2) des faserverstärkten Metallbauteils (1). Das Metallbauteil (1) wird hierbei integral aus alternierend abgelegten Matrixmateriallagen (5) und Faserlagen (6) gebildet. Ein alternatives Herstellungsverfahren umfasst Einbringen eines offenen dreidimensionalen Fasergeleges bestehend aus Verstärkungsfasern (3) in eine Gussform, Einfüllen eines flüssigen Metall-Modelliermaterials (4) in die Gussform, und Konsolidieren des Metall-Modelliermaterials (4) zur Bildung der Metall-Matrix (2) des faserverstärkten Metallbauteils (1). Das Metallbauteil (1) wird hierbei integral aus dem konsolidierten Metall-Modelliermaterial (4) und den Verstärkungsfasern (3) gebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur automatisierten Herstellung von faserverstärkten Metallbauteilen sowie faserverstärkte Metallbauteile, welche mit solchen Verfahren hergestellt sind. Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit Metallbauteilen mit integrierten, verstärkenden Fasern zur Nutzung im Luft- und Raumfahrtbereich.
Auch wenn faserverstärkte Metallbauteile gemäß der vorliegenden Erfindung in vielfältigen Anwendungen genutzt werden können, werden diese sowie die zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Passagierflugzeuge näher erläutert.
Im Bereich des modernen Flugzeugbaus kommen häufig Metallbauteile in Verbundbauweise als strukturelle Komponenten zum Einsatz. So wird die Beplankung der Rumpfzelten von Luftfahrzeugen mitunter aus glasfaserverstärktem Aluminium („Glass Laminate Aluminium Reinforced Epoxy”, GLARE^®) gebildet, d. h. einem Laminatverbund mit abwechselnden Schichten aus Aluminium und einem Glasfaserlaminat (glasfaserverstärkter Kunststoff). Hierbei werden dünne Bleche aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung übereinander geschichtet und jeweils mittels einer Klebeschicht miteinander verbunden, welche mindestens eine harzimprägnierte, unidirektionale Glasfasereinlage aufweist. Abschließend wird der Verbundaufbau unter der Anwendung von Druck und Temperatur zu einem Blechlaminat ausgehärtet. Als Vorteile von GLARE^® und anderen solchen Faser-Metall-Laminaten gegenüber monolithischen Metallbauteilen werden mitunter eine verbesserte Schadenstoleranz und ein optimiertes Einschlagsverhalten, eine verbesserte Unterdrückung der Ausbreitung von Rissen, eine gute Korrosionsbeständigkeit und ein geringes Gewicht angegeben.
Neben der Anwendung solcher Metall-Laminatverbunde ist es weiterhin bekannt Glasfasern in eine Metallmatrix einzubetten. So beschreiben beispielsweise die Druckschriften US 7,774,912 B2 und US 2005/0133123 A1 Verfahren zur Herstellung von Glasfaser-Metallmatrix-Verbunden, die im Luft- und Raumfahrtsektor zur Anwendung kommen können. Hierbei werden Glasfaserbündel durch ein Bad aus flüssigem Metall gezogen, welches in einen Schmelzofen integriert ist. Anschließend werden die mit Metall infiltrierten Faserbündel durch ein Formwerkzeug in eine gewünschte Anordnung gebracht, bevor sie abschließend abgekühlt, d. h. ausgehärtet, werden.
Prinzipiell ist allen diesen Verfahren gemeinsam, dass mehrere aufwändige, aufeinanderfolgende, mitunter sogar händische Einzelschritte zur Fertigung der Bauteile notwendig sind. Dieser Mangel an Automatisierung führt zu einem hohem Fertigungsaufwand und entsprechenden Produktionskosten. Für eine effiziente Klein- und Großserienfertigung bedarf es Verfahren, mit denen sich faserverstärkte Metallbauteile mit überschaubaren Aufwand in automatisierter Weise herstellen lassen, welche mit herkömmlichen Methoden nicht oder zumindest nur unter erheblichem Aufwand herstellbar wären.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lösungen für die effiziente, kostengünstige Herstellung von faserverstärkten Metallbauteilen zu finden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, durch ein Metallbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 und durch ein Luft- oder Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.
Demgemäß ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Metallbauteils vorgesehen. Das Metallbauteil weist eine Metall-Matrix auf, die von einer Vielzahl von Verstärkungsfasern durchsetzt ist. Das Herstellungsverfahren umfasst schichtweises Ablegen von Verstärkungsfasern in Faserlagen, schichtweises Ablegen und Verflüssigen eines Metall-Modelliermaterials in Matrixmateriallagen, und schichtweises Konsolidieren des Metall-Modelliermaterials in benachbarten abgelegten Matrixmateriallagen zur Bildung der Metall-Matrix des faserverstärkten Metallbauteils. Das Metallbauteil wird integral aus alternierend abgelegten Matrixmateriallagen und Faserlagen gebildet.
Alternativ umfasst das Herstellungsverfahren Einbringen eines offenen dreidimensionalen Fasergeleges bestehend aus Verstärkungsfasern in eine Gussform, Einfüllen eines flüssigen Metall-Modelliermaterials in die Gussform, und Konsolidieren des Metall-Modelliermaterials zur Bildung der Metall-Matrix des faserverstärkten Metallbauteils. Das Metallbauteil wird hierbei integral aus dem konsolidierten Metall-Modelliermaterial und den Verstärkungsfasern gebildet.
Darüber hinaus ist ein faserverstärktes Metallbauteil vorgesehen, welches mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Darüber hinaus ist ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen faserverstärkten Metallbauteil vorgesehen.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dreidimensionale Bauteile in einem einzelnen, integrierten, automatisierten Herstellungsprozess zu bilden, in welchem verstärkende Fasern direkt in einer Metallmatrix eingebettet werden. Dreidimensional bedeutet in diesem Zusammenhang, dass prinzipiell beliebig geformte, massive Metallbauteile einteilig herstellbar sind, in welche verstärkende Fasern aus unterschiedlichen vorteilhaften Materialien eingebettet sind. Die Verstärkungsfasern werden in den erfindungsgemäßen Verfahren vollautomatisch in einer schichtweisen Fertigung positioniert. Einerseits können mittels der integrierten, automatisierten Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung der Fertigungsaufwand und die hieraus bedingten Produktionskosten in ganz erheblichem Maße reduziert werden. So entfällt beispielsweise der im Falle von Faser-Metall-Laminaten üblicherweise unumgängliche Aushärtungsprozess mittels eines Autoklaven oder dergleichen.
Andererseits besteht ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung demnach darin, dass sich massive Metallbauteile mit flexibel angeordneten integrierten Fasern mit relativ einfachen Mitteln kostensparend und effizient herstellen lassen. Herkömmlicherweise werden Metall-Faser-Verbundbauteile aus abwechselnden Schichten aus Metall und Faserlaminatlagen aufgebaut, welche mittels Epoxidharz und anderen Bindungsmaterialien miteinander verbunden werden. Hierbei umfassen insbesondere die Faserlaminatlagen typischerweise eine Matrix aus Kunstharz. Gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung werden nun verstärkende Fasern, z. B. Glasfasern, Kohlenstofffasern oder dergleichen, direkt in eine Metallmatrix eingebettet, ohne dass zusätzliche, grundsätzlich strukturell schwächere Materialien verwendet werden. Die erfindungsgemäßen faserverstärkten Metallbauteile zeichnen sich gegenüber Faser-Metall-Laminaten somit durch hohe (Zug-)Festigkeit und hohe Steifigkeit (d. h. großes Elastizitätsmodul) aus. Grundsätzliche Nachteile eines laminaren Aufbaus wie Delamination, d. h. dem Ablösen oder Abreißen einzelner Schichten, werden vollständig umgangen. Die hohe Festigkeit bzw. das hohe E-Modul von Verstärkungsfasern findet direkten, optimalen Eingang in die Festigkeit und Steifigkeit des gebildeten Metallbauteils. Erfindungsgemäße Metallbauteile sind multifunktional in dem Sinne, dass Fasern zu unterschiedlichen Zwecken in die Metallbauteile integrierbar sind. Fasern können ähnlich wie bei Metallbauteilen in Laminat-Verbund-Bauweise zu Verstärkungszwecken oder anderen strukturverbesserten Zwecken vorgesehen sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer Weiterbildung kann das schichtweise Ablegen und Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials das Ablegen des Metall-Modelliermaterials in Form eines Metallpulvers, eines Metallbands und/oder eines Metalldrahts oder dergleichen umfassen.
Das schichtweise Ablegen und Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials kann das Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials mit einem Laser umfassen. Das Metall-Modelliermaterial kann demnach mit einem Laser geschmolzen werden, z. B. kann das Modelliermaterial in Form eins Pulvers oder als Band bzw. Draht aufgelegt werden und dann mit dem Laser geschmolzen werden. In dieser Weiterbildung kann das Herstellungsverfahren beispielsweise ein Lasersinter-Verfahren oder ein Laserschmelz-Verfahren oder ein ähnliches Verfahren umfassen. Bei dem so genannten selektiven Lasersintern („selective laser sintering”, SLS) und dem selektiven Laserschmelzen („selective laser melting”, SLM) werden pulverförmige Werkstoffe in dünnen Schichten nach und nach aufgetragen, anschließend mit einem Laserstrahl geschmolzen bzw. gesintert und dann ausgehärtet. Hierbei verbindet sich das abgeschiedene Material bei Abkühlung mit zuvor aufgebrachten Material und härtet aus, so dass sich ein integrales Objekt bildet. Dem Fachmann wird sich aus dem Kontext erschließen, dass auch weitere Verfahren zum Einsatz kommen können, die ähnliche Resultate erzielen. Beispielsweise kann das Metall-Modelliermaterial alternativ zu einem Laserverfahren auch mit einem Elektronenstrahl verflüssigt werden, z. B. im Sinne von Elektronenstrahlschmelzen („electron beam melting”, EBM) oder Elektronenstrahlsintern („electron beam sintering”, EBS).
Gemäß einer alternativen Weiterbildung kann das schichtweise Ablegen und Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials das Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials durch Widerstandsschmelzen umfassen. In dieser Weiterbildung wird der elektrische Widerstand des Metall-Modelliermaterials ausgenutzt, um dieses durch Einbringung eines elektrischen Stroms soweit aufzuheizen, bis es schmilzt bzw. sich verflüssigt.
Die Verstärkungsfasern können hierzu mit einem metallischen Material oder einer Metalllegierung beschichtet oder ummantelt sein, z. B. Kupfer, Aluminium oder einem anderen geeigneten Material. In dieser vorteilhaften Weiterbildung kann der elektrische Strom zum Aufheizen des Metall-Modelliermaterials direkt über die bereits abgelegten Verstärkungsfasern eingeleitet werden. Beispielsweise können die Verstärkungsfasern mit zwei oder mehr Andruckrollen aufgebracht werden, wobei an den Andruckrollen entsprechende Mittel vorgesehen werden, um elektrischen Strom über die Andruckrollen auf die Verstärkungsfasern überzuleiten. Die elektrisch leitfähige Beschichtung bzw. Ummantelung der Verstärkungsfasern leitet den Strom weiter, wodurch sich die Verstärkungsfasern und/oder das bereits abgelegte Metall-Modelliermaterial aufheizt. Das Metall-Modelliermaterial verflüssigt sich und umschließt die abgelegten Verstärkungsfasern, so dass ein massives Metallbauteil mit eingebetteten Verstärkungsfasern entsteht.
Gemäß einer Weiterbildung kann das schichtweise Ablegen und Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials das Extrudieren von Metall-Modelliermaterial umfassen. Extrusionsprozesse stellen eine weitere alternative vorteilhafte Möglichkeit dar, das Metall-Modelliermaterial schichtweise aufzubringen, welche eine besonders glatte und gleichmäßige Aufbringung von Metallschichten ermöglicht. Beispielweise kann das Herstellungsverfahren ein Schmelzschichtungsverfahren umfassen. Schmelzschichtung (z. B. „fused deposition modelling”, FDM) umfasst Verfahren, bei denen Materialschichten durch Extrudieren eines erhitzten fließfähigen Materials abgelegt werden. Hierbei verbindet sich das abgeschiedene Material bei Abkühlung mit zuvor aufgebrachten Material und härtet aus, so dass sich ein integrales Objekt bildet. Prinzipiell lassen sich darüber hinaus weitere Verfahren anwenden, welche aus 3D-Druckverfahren von Metallen bekannt sind, d. h. alle generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, bei welchen auf der Basis von geometrischen Modellen Objekte vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern oder formneutralen Halbzeugen wie etwa band- oder draht-förmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse in einem speziellen generativen Fertigungssystem hergestellt werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann das schichtweise Ablegen der Verstärkungsfasern das Zuführen der Verstärkungsfasern von einem oder mehreren Faserbündeln umfassen. Ferner kann das schichtweise Ablegen der Verstärkungsfasern das Ablegen der Verstärkungsfasern mittels einer oder mehrerer Andruckrollen umfassen. Ferner kann das schichtweise Ablegen der Verstärkungsfasern das Auffächern der Verstärkungsfasern mittels einer Breitstreckwalze der dergleichen umfassen. Beispielsweise können einzelne Verstärkungsfasern von einem oder mehreren Faserbündeln über entsprechende Zuführrollen bereitgestellt werden, mittels einer Breitstreckwalze oder dergleichen aufgefächert, verteilt und eben angeordnet werden und abschließend mit einer Andruckrolle aufgebracht werden. In dieser Weiterbildung können Faserlagen aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Verstärkungsfasern effizient und genau aufgebracht werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann der mittlere Schmelzpunkt der Verstärkungsfasern über dem mittleren Schmelzpunkt des Metall-Modelliermaterials liegen. Das Metall-Modelliermaterial und das Material der Verstärkungsfasern wird dementsprechend so vorteilhaft aufeinander angepasst, dass das Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials nicht die bereits abgelegten Faserlagen aus Verstärkungsfasern beeinflusst.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Metall-Modelliermaterial aus der Gruppe von Aluminium, Titan und einer Legierung davon oder dergleichen ausgewählt sein.
Gemäß einer Weiterbildung können die Verstärkungsfasern aus der Gruppe von Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und Borfasern oder dergleichen ausgewählt sein. Somit können je nach Anwendung und Anforderungen unterschiedliche Kombinationen aus Metall-Modelliermaterial, d. h. dem Material der Metall-Matrix, und Verstärkungsfasern genutzt werden. Beispielsweise lassen sich Kohlenstofffasern in eine Metall-Matrix aus Titan bzw. einer Titanlegierung einbetten. Diese Weiterbildung wäre beispielsweise besonders korrosionsbeständig. Darüber hinaus wären Kohlenstofffasern besonders resistent gegenüber den benötigten Schmelztemperaturen der Metalle. So können Kohlenstofffasern ohne Weiteres Temperaturen von mehr als 3000°C widerstehen, während beispielsweise Titan im Bereich von 1700°C schmilzt bzw. aushärtet. Darüber hinaus bieten Kohlenstofffasern besonders hohe Zugfestigkeiten von bis zu über 5000 MPa und Elastizitätsmodule von bis über 500 GPa. Ein solchermaßen verstärktes Metallbauteil mit einer Metall-Matrix aus Titan und darin eingebetteten Kohlenstofffasern kann je nach Anordnung und Ausrichtung der Verstärkungsfasern Zugfestigkeiten in der Größenordnung von 1000 MPa und Elastizitätsmodule um 50 GPa erreichen. Alternativ hierzu können beispielsweise jedoch auch Glasfasern mit einer Aluminium-Matrix oder einer Titan-Matrix oder Legierungen von diesen kombiniert werden. Prinzipiell werden sich dem Fachmann hieraus weitere mögliche vorteilhafte Kombinationen dieser und anderer Materialien erschließen.
Gemäß einer Weiterbildung kann das faserverstärkte Metallbauteil als Strukturbauteil zur Verstärkung des Rumpfes eines Luft- oder Raumfahrzeugs ausgebildet sein. Das Metallbauteil kann demnach beispielsweise als Stringer, Spant, Stringer- bzw. Spantsegment oder Stringer- bzw. Spantkupplung oder dergleichen ausgebildet sein. Prinzipiell ist es gemäß der Erfindung auch möglich, das Metallbauteil als Hautfeld oder Abschnitt eines Hautfelds auszubilden. Allgemein lassen sich mittels solcher Bauteile die Struktureigenschaften von Luftfahrzeugen verbessern, beispielsweise hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit, aber auch hinsichtlich der Schadenstoleranz und des Einschlagsverhalten etc.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine schematische Perspektivansicht eines faserverstärkten Metallbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Seitenansicht eines Luftfahrzeugs, in welches das Metallbauteil aus 1 integriert ist;
3a, 3b zwei schematische Ablaufdiagramme von Herstellungsverfahren für die Herstellung des faserverstärkten Metallbauteils aus 1 gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung;
4 eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Herstellungsverfahrens gemäß 3a;
5a, 5b eine schematische Perspektivansicht und eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines alternativen Herstellungsverfahrens gemäß 3a; und
6 eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Herstellungsverfahrens gemäß 3b.
Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines faserverstärkten Metallbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 das faserverstärkte Metallbauteil. Das Metallbauteil 1 ist ein einstückiges, d. h. integrales, Bauteil mit einer Metall-Matrix 2 aus einem Metall-Modelliermaterial 4, z. B. Titan oder Aluminium oder einer entsprechenden Legierung, welche von einer Vielzahl von Verstärkungsfasern 3 durchsetzt ist. Bei dem Metallbauteil 1 kann es sich beispielsweise um ein Strukturbauteil eines Luft- oder Raumfahrzeugs 100 handeln, z. B. einen Stringer oder einen Spant. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Luftfahrzeugs 100, in welches das Metallbauteil 1 aus 1 als Stringer integriert ist. Prinzipiell ist die vorliegende Erfindung jedoch auf beliebige andere Metallbauteile anwendbar, die zu unterschiedlichen Zwecken in einem Luftfahrzeug 100 vorgesehen sein können. Prinzipiell kann ein Metallbauteil 1 gemäß der vorliegenden Erfindung auch eine Metallkomponente eines Verbundbauteils oder dergleichen sein. In diesem Sinne ist das Metallbauteil 1 in 1 rein schematisch zu sehen. Beispielsweise kann es als Stringer oder Spant mit einem beliebig geformten Querschnitt ausgebildet sein, d. h. beispielsweise in Z-, L- oder Ω-Form vorliegen.
Bei den Verstärkungsfasern 3 in 1 kann es sich beispielsweise um Kohlenstofffasern oder Glasfasern handeln, die zwecks Strukturverbesserung der Metallbauteils 1 in dieses eingelassen sind, beispielsweise um die Schadenstoleranz des Metallbauteils 1 unter Einschlägen oder dergleichen zu verbessern oder um dessen Durchbrandverhalten zu verbessern. Diese Verstärkungsfasern 3 sind parallel zueinander in Längsrichtung des Metallbauteils 1 angeordnet. Diese Anordnung dient lediglich der schematischen Illustration. Prinzipiell können anderen Anordnungen im Sinne der Strukturoptimierung vorteilhaft sein.
3a zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens M für die Herstellung des faserverstärkten Metallbauteils 1 aus 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Das Herstellungsverfahren M in 3a umfasst unter M1 schichtweises Ablegen von Verstärkungsfasern 3 in Faserlagen 6. Ferner umfasst das Herstellungsverfahren M unter M2 schichtweises Ablegen und Verflüssigen eines Metall-Modelliermaterials 4 in Matrixmateriallagen 5. Ferner umfasst das Herstellungsverfahren M unter M3 schichtweises Konsolidieren des Metall-Modelliermaterials 4 in den Matrixmateriallagen 5 zur Bildung der Metall-Matrix 2 des faserverstärkten Metallbauteils 1. Das Metallbauteil 1 wird hierbei integral aus alternierend abgelegten Matrixmateriallagen 5 und Faserlagen 6 gebildet.
4 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines möglichen Herstellungsverfahrens M gemäß 3a. 5a, 5b zeigen eine schematische Perspektivansicht und eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines alternativen Herstellungsverfahrens M gemäß 3a.
In 4 werden die einzelnen Verstärkungsfasern 3 von einem oder mehreren Faserbündeln 7 über entsprechende Zuführrollen bereitgestellt. Als nächstes werden die Verstärkungsfasern 3 mittels einer Walze 9 oder dergleichen aufgefächert, verteilt und nebeneinander eben angeordnet. Daraufhin werden die Verstärkungsfasern 3 mittels einer Andruckrolle 8 auf eine bereits aufgebrachte Matrixmateriallage 5 aus Metall-Modelliermaterial 4 aufgebracht. Auf die solchermaßen abgelegte Faserlage 6 aus Verstärkungsfasern 3 wird nun eine weitere Matrixmateriallage 5 abgelegt. Hierzu weist ein Legekopf (nicht eingezeichnet in 4) eine Zuführung für Metall-Modelliermaterial 4 auf. In diesem Ausführungsbeispiels wird das Metall-Modelliermaterial 4 in Form eines Metall-Pulvers bereitgestellt. Ferner weist der Legekopf einen Laser 10 auf, mittels dem das Metall-Pulver geschmolzen und verflüssigt wird. Hierdurch wird das abgelegte Metall-Modelliermaterial 4 mit der unter der Faserlage 6 befindlichen Matrixmateriallage 5 konsolidiert, indem das verflüssigte Metall-Modelliermaterial 4 die Verstärkungsfasern 3 der Faserlage 6 vollständig umschließt bzw. diese einbettet. Effektiv werden somit zwei Matrixmateriallagen 5 miteinander verschmolzen, wobei die hierdurch gebildete Metall-Matrix 2 eine Vielzahl von Verstärkungsfasern 3 einbettet. Die einzelnen Schritte M1, M2, M3 des Herstellungsverfahrens M werden schichtweise wiederholt. Hierbei können die Verstärkungsfasern 3 beispielsweise anders angeordnet und/oder ausgerichtet werden. Ebenfalls können die Dicken der einzelnen Schichten, d. h. der Matrixmateriallage 5 bzw. der Faserlage 6, variiert werden. Prinzipiell lassen mit dem Herstellungsverfahren M eine Vielzahl von unterschiedlich ausgebildeten, faserverstärkten Metallbauteilen 1 für unterschiedliche Anwendungen fertigen und optimieren. Das Herstellungsverfahren M fertigt hierbei folglich völlig automatisch integrale Metallbauteile aus einer massiven Metall-Matrix 2, die von einer Vielzahl von Verstärkungsfasern 3 durchsetzt ist.
Das in 5a bzw. 5b schematisierte Herstellungsverfahren M umfasst grundsätzlich die gleichen Verfahrensschritte M1, M2, M3 wie jenes aus 4. Im Unterschied zu 4 ist hier allerdings kein Legekopf mit einem Laser 10 vorgesehen. Stattdessen wird das abgelegte Metall-Pulver mittels Widerstandsschmelzen verflüssigt. Zu diesem Zweck sind zwei beabstandete Andruckrollen 8 vorgesehen, welche die Verstärkungsfasern 3 an die darunter liegende Matrixmetalllage 5 andrücken. Über beide Andruckrollen 8 wird nun ein elektrischer Stromkreis über eine zwischen den Andruckrollen 8 befindliche Ablagefläche geschlossen. Zu diesem Zweck können die Verstärkungsfasern 3 beispielsweise mit einem metallischen Material oder einer Metalllegierung beschichtet sein bzw. mit einer solchen ummantelt sein. Wird nun elektrische Strom aus einer mit den Andruckrollen 8 verbundenen elektrischen Spannungsquelle 13 in die Ablagefläche eingeleitet, so heizt sich das abgelegte Metall-Pulver des Metall-Modelliermaterials 4 auf, bis es sich verflüssigt und die darunter liegende Faserlage 6 umgibt. Abschließend wird der Stromfluss unterbrochen, so das Metall-Modelliermaterial 4 abkühlt und sich verfestigt, wodurch dieses mit der unter der Faserlage 6 befindlichen Matrixmateriallage 5 konsolidiert. Wie in 4 wird durch diesen Prozess eine integrale Metall-Matrix 2 geschaffen, welche die Verstärkungsfasern 3 der Faserlage 6 vollständig umschließt bzw. diese einbettet. Diese Verfahrensschritte M1, M2, M3 werden nun für jede Materialschicht wiederholt, bis ein integral gebildetes Metallbauteil 1 geschaffen wird, welches eine faserverstärkte Metall-Matrix 2 aufweist.
3b zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines alternativen Herstellungsverfahrens M für die Herstellung des faserverstärkten Metallbauteils 1 aus 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Dieses Herstellungsverfahren M' umfasst unter M1' Einbringen eines offenen dreidimensionalen Fasergeleges 11 bestehend aus Verstärkungsfasern 3 in eine Gussform 12. Ferner umfasst das Herstellungsverfahren M' unter M2' Einfüllen eines flüssigen Metall-Modelliermaterials 4 in die Gussform 12. Ferner umfasst das Herstellungsverfahren M' unter M3' Konsolidieren des Metall-Modelliermaterials 4 zur Bildung der Metall-Matrix 2 des faserverstärkten Metallbauteils 1. Das Metallbauteil 1 wird hierbei integral aus dem konsolidierten Metall-Modelliermaterial 4 und den Verstärkungsfasern 3 gebildet.
6 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Herstellungsverfahrens M' gemäß 3b.
Das Herstellungsverfahren M ähnelt in dieser Ausführungsform grundsätzlich dem Spritzpressen von Formteilen aus Kunststoff, beispielsweise aus Epoxidharz („resin transfer molding”, RTM). Im Inneren einer Gussform 12 befindet sich ein dreidimensionales Fasergelege 11. Dieses kann beispielsweise einen Schichtaufbau aus einzelnen unidirektionalen Faserlagen 6 aufweisen. Prinzipiell sind aber auch komplexere dreidimensionale Anordnungen aus Verstärkungsfasern 3 vorgesehen, in welchen die Verstärkungsfasern 3 in unterschiedliche Richtungen auch außerhalb einer Schichtebene verlaufen können. Das Fasergelege 11 ist derart offen ausgebildet, dass in die Gussform 12 eingelassenes Metall-Modelliermaterial 4 die Verstärkungsfasern 3 vollständig umgeben und einbetten kann, d. h. zwischen die Verstärkungsfasern 3 des Fasergeleges 11 gewissermaßen eindringen kann. Nach dem Einbringen M1' des Fasergeleges 11 in die Gussform 12 wird diese geschlossen. Das Metall-Modelliermaterial 4 wird sodann verflüssigt und anschließend über einen oder mehrere Verteilerkanäle in das Innere der Gussform 12 eingespritzt oder anderweitig eingebracht und dort verteilt. Nach Konsolidierung M3' und Abkühlen des Metall-Modelliermaterials 4 kann das gebildete Metallbauteil 1 aus der Gussform 12 genommen werden. Alternativ können hierbei auch andere Herstellungsverfahren M' zur Anwendung kommen, welche aus der Verarbeitung von Formteilen aus Kunststoff bekannt sind, wie z. B. Formpressverfahren oder dergleichen („resin compression molding”).
Die beschriebenen Verfahren können in allen Bereichen der Transportindustrie, beispielsweise für Straßenkraftfahrzeuge, für Schienenfahrzeuge oder für Wasserfahrzeuge, aber auch generell im Ingenieurs- und Maschinenbauwesen oder anderen Gebieten, wie beispielsweise in der Architektur, im Hoch- und Tiefbau, etc. eingesetzt werden. Prinzipiell können die beschriebenen Herstellungsverfahren zudem nicht nur auf faserverstärkte Metallbauteile Anwendung finden, sondern auch auf faserverstärkte Kunststoffbauteile, z. B. Kunststoffbauteile mit Aramidfaser-Verstärkung. Darüber hinaus eignen sich manche der beschriebenen Verfahren zudem zur Reparatur bzw. Verstärkung von bereits fertig gebildeten faserverstärkten Metallbauteilen. Beispielsweise können zusätzliche Schichten aus Verstärkungsfasern und Metall zur Reparatur „vor Ort” auf beschädigte Metallbauteile aufgetragen werden, z. B. zur Lebensdauerverlängerung von faserverstärkten Metallbauteilen, welche integral an die Metallbauteile angebunden werden.
In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend” und „aufweisend” als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend” verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein”, „einer” und „eine” eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
Bezugszeichenliste

1: faserverstärktes Metallbauteil
2: Metall-Matrix
3: Verstärkungsfaser
4: Metall-Modelliermaterial
5: Matrixmateriallage
6: Faserlage
7: Faserbündel
8: Andruckrolle
9: Breitstreckwalze
10: Laser
11: Fasergelege
12: Gussform
13: Elektrische Spannungsquelle
100: Luftfahrzeug
M: Herstellungsverfahren
M1: Verfahrensschritt
M2: Verfahrensschritt
M3: Verfahrensschritt
M': Herstellungsverfahren
M1': Verfahrensschritt
M2': Verfahrensschritt
M3': Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7774912 B2 [0004]
US 2005/0133123 A1 [0004]

Claims

Herstellungsverfahren (M) zur Herstellung eines faserverstärkten Metallbauteils (1), welches eine Metall-Matrix (2) aufweist, die von einer Vielzahl von Verstärkungsfasern (3) durchsetzt ist, wobei das Herstellungsverfahren (M) die folgenden Verfahrensschritte umfasst: schichtweises Ablegen (M1) von Verstärkungsfasern (3) in Faserlagen (6); schichtweises Ablegen und Verflüssigen (M2) eines Metall-Modelliermaterials (4) in Matrixmateriallagen (5); und schichtweises Konsolidieren (M3) des Metall-Modelliermaterials (4) in benachbarten abgelegten Matrixmateriallagen (5) zur Bildung der Metall-Matrix (2) des faserverstärkten Metallbauteils (1); wobei das Metallbauteil (1) integral aus alternierend abgelegten Matrixmateriallagen (5) und Faserlagen (6) gebildet wird.
Herstellungsverfahren (M) nach Anspruch 1, wobei das schichtweise Ablegen und Verflüssigen (M2) des Metall-Modelliermaterials (4) das Ablegen des Metall-Modelliermaterial (4) in Form eines Metallpulvers, eines Metallbands und/oder eines Metalldrahts umfasst.
Herstellungsverfahren (M) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das schichtweise Ablegen und Verflüssigen (M2) des Metall-Modelliermaterials (4) das Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials (4) mit einem Laser (10) umfasst.
Herstellungsverfahren (M) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das schichtweise Ablegen und Verflüssigen (M2) des Metall-Modelliermaterials (4) das Verflüssigen des Metall-Modelliermaterials (4) durch Widerstandsschmelzen umfasst.
Herstellungsverfahren (M) nach Anspruch 4, wobei die Verstärkungsfasern (3) mit einem metallischen Material oder einer Metalllegierung beschichtet oder ummantelt sind.
Herstellungsverfahren (M) nach Anspruch 1, wobei das schichtweise Ablegen und Verflüssigen (M2) des Metall-Modelliermaterials (4) das Extrudieren von Metall-Modelliermaterial (4) umfasst.
Herstellungsverfahren (M) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das schichtweise Ablegen (M1) der Verstärkungsfasern (3) das Zuführen der Verstärkungsfasern (3) von einem oder mehreren Faserbündeln (7) und das Ablegen der Verstärkungsfasern (3) mittels einer oder mehrerer Andruckrollen (8) umfasst.
Herstellungsverfahren (M) nach Anspruch 7, wobei das schichtweise Ablegen (M1) der Verstärkungsfasern (3) ferner das Auffächern der Verstärkungsfasern (3) mittels einer Breitstreckwalze (9) umfasst.
Herstellungsverfahren (M') zur Herstellung eines faserverstärkten Metallbauteils (1), welches eine Metall-Matrix (2) aufweist, die von einer Vielzahl von Verstärkungsfasern (3) durchsetzt ist, wobei das Herstellungsverfahren (M') die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Einbringen (M1') eines offenen dreidimensionalen Fasergeleges (11) bestehend aus Verstärkungsfasern (3) in eine Gussform (12); Einfüllen (M2') eines flüssigen Metall-Modelliermaterials (4) in die Gussform (12); und Konsolidieren (M3') des Metall-Modelliermaterials (4) in der Gussform (12) zur Bildung der Metall-Matrix (2) des faserverstärkten Metallbauteils (1); wobei das Metallbauteil (1) integral aus dem konsolidierten Metall-Modelliermaterial (4) und den Verstärkungsfasern (3) gebildet wird.
Herstellungsverfahren (M, M') nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mittlere Schmelzpunkt der Verstärkungsfasern (3) über dem mittleren Schmelzpunkt des Metall-Modelliermaterials (4) liegt.
Herstellungsverfahren (M, M') nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Metall-Modelliermaterial (4) aus der Gruppe von Aluminium, Titan und einer Legierung davon ausgewählt ist.
Herstellungsverfahren (M, M') nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungsfasern (3) aus der Gruppe von Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und Borfasern ausgewählt sind.
Faserverstärktes Metallbauteil (1), welches mit einem Herstellungsverfahren (M, M') nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt ist.
Faserverstärktes Metallbauteil (1) nach Anspruch 13, wobei das faserverstärkte Metallbauteil (1) als Strukturbauteil zur Verstärkung des Rumpfes eines Luft- oder Raumfahrzeugs (100) ausgebildet ist.
Luft- oder Raumfahrzeug (100) mit einem faserverstärkten Metallbauteil (1) nach Anspruch 13 oder 14.