DE102015226599A1 - A method for producing a composite material and a composite material produced by the method - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, bei dem eine Vorform als Verstärkungsmatrix durch Kombinieren von Verstärkungselementen mit einem Ergänzungsmaterial gebildet wird, wobei das Ergänzungsmaterial den Verstärkungselementen hinzugefügt wird und wobei durch eine Vorbehandlung auf das Ergänzungsmaterial derart eingewirkt wird, dass es verformt wird und die Verstärkungselemente der Verstärkungsmatrix wenigstens teilweise einbettet. Hierdurch werden Zwischenräume zwischen Verstärkungselementen minimiert, und es wird ein guter Zusammenhalt der Verstärkungsmatrix einerseits und des Verbundwerkstoffs andererseits erreicht.The invention relates, inter alia, to a method for producing a composite material in which a preform is formed as a reinforcing matrix by combining reinforcing elements with a supplementary material, wherein the supplementary material is added to the reinforcing elements and the pre-treatment acts on the supplementary material such that it is deformed and at least partially embeds the reinforcing elements of the reinforcing matrix. This minimizes gaps between reinforcing elements, and good cohesion of the reinforcing matrix on the one hand and the composite on the other hand is achieved.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Materialwissenschaften und ist auf verschiedensten Gebieten der Technik, die hohe Ansprüche an die mechanischen Eigenschaften von Materialien stellen, mit Vorteil einsetzbar. Konkret bezieht sich die Erfindung auf einen Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention is in the field of mechanical engineering and material science and can be used to advantage in various fields of technology which make high demands on the mechanical properties of materials. Specifically, the invention relates to a composite material and a method for its production.

Verbundwerkstoffe hoher Qualität können zur Anpassung von Bauteilen an lokale Belastungen und zur Erzielung hoher spezifischer Festigkeiten angewendet werden. Dabei kann durch Verwendung einer Verstärkungsphase, die beispielsweise aus Fasern oder Partikeln bestehen kann, die in eine Vergussmatrix eingebettet werden, zusätzlich zu einer erhöhten Festigkeit auch eine Gewichtsbegrenzung oder -reduktion erreicht werden.High quality composites can be used to adapt components to local stresses and to achieve high specific strengths. In this case, by using a reinforcing phase, which may for example consist of fibers or particles which are embedded in a potting matrix, in addition to an increased strength and a weight limitation or reduction can be achieved.

Das Einbringen einer Verstärkungsmatrix, die Verstärkungselemente umfasst, in eine Vergussmatrix kann bei entsprechend hohen Anforderungen an die Verbindungsqualität Schwierigkeiten bezüglich einer zuverlässigen, stabilen und belastbaren Verbindung der Verstärkungsmatrix mit dem Vergusswerkstoff aufwerfen. Zudem kann es wichtig sein, der Verstärkungsmatrix eine gewisse Eigenstabilität zu verleihen, die die Einhaltung der gewollten Verteilung von Verstärkungselementen im Gesamtverbundwerkstoff während des und nach dem Vergussprozess garantiert.The introduction of a reinforcing matrix comprising reinforcing elements into a potting matrix can cause difficulties with regard to a reliable, stable and load-bearing connection of the reinforcing matrix with the potting material given correspondingly high connection quality requirements. In addition, it may be important to impart some inherent stability to the reinforcing matrix which will ensure compliance with the intended distribution of reinforcing elements throughout the composite during and after the potting process.

Aus der DE 103 19 852 B3 ist beispielsweise ein Verbundmaterial und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, bei dem ein Faserkörper als Verstärkungsmatrix eingesetzt wird, der aus metallischen und nichtmetallischen Fasern besteht, wobei die metallischen Fasern zumindest an einigen ihrer Kreuzungspunkte miteinander verbunden sind. Dadurch soll eine formstabile Verstärkungsmatrix für den Vergussprozess geschaffen werden.From the DE 103 19 852 B3 For example, a composite material and a method for its production is known in which a fibrous body is used as reinforcing matrix, which consists of metallic and non-metallic fibers, wherein the metallic fibers are connected to each other at least at some of their crossing points. This is intended to create a dimensionally stable reinforcement matrix for the potting process.

Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, die ein optimiertes Zusammenwirken zwischen einer Verstärkungsmatrix und einem Vergusswerkstoff ermöglichen.The object of the present invention, based on the prior art, is to provide a composite material and a method for its production, which enable optimized interaction between a reinforcing matrix and a potting material.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 bezüglich eines Verfahrens sowie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 bezüglich einer Vorform/Verstärkungsmatrix und mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 bezüglich eines Verbundwerkstoffs gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung auf.The object is achieved with the features of the invention according to claim 1 with respect to a method and with the features of claim 8 with respect to a preform / reinforcement matrix and with the features of claim 9 with respect to a composite material. The subclaims show advantageous embodiments of the invention.

Somit bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, bei dem eine Vorform als Verstärkungsmatrix durch Kombinieren von Verstärkungselementen mit einem Ergänzungsmaterial gebildet wird, wobei das Ergänzungsmaterial den Verstärkungselementen hinzugefügt wird und wobei durch eine Vorbehandlung auf das Ergänzungsmaterial derart eingewirkt wird, dass es verformt wird und die Verstärkungselemente der Verstärkungsmatrix wenigstens teilweise einbettet.Thus, the invention relates to a process for producing a composite in which a preform is formed as a reinforcing matrix by combining reinforcing elements with a filler material, wherein the filler material is added to the reinforcing elements and wherein the filler material is acted upon by a pre-treatment such that it is deformed and at least partially embeds the reinforcing elements of the reinforcing matrix.

Durch die Hinzufügung eines Ergänzungsmaterials zu den Verstärkungselementen der Verstärkungsmatrix kann eine höhere und zuverlässigere Auffüllung des Gesamtvolumens im Vergussprozess erreicht werden, so dass die Bildung von Poren und Kavitäten im Verbundwerkstoff reduziert oder verhindert wird. Der Begriff ”einbetten” kann beispielsweise so verstanden werden, dass das Ergänzungsmaterial sich wenigstens stellenweise an die Verstärkungselemente anschmiegt und/oder sich an diesen verformt und/oder diese stellenweise abformt. Er kann auch so verstanden werden, dass wenigstens teilweise ein flächiger Kontakt zwischen den Verstärkungselementen und dem Ergänzungsmaterial hergestellt wird. Es kann somit eine nahezu vollständige Infiltration des Verbundwerkstoffs mit der Verstärkungsmatrix erreicht werden. Dabei kann zudem sichergestellt werden, dass die Verstärkungselemente insbesondere bei hohen Drücken im Vergussprozess zuverlässig und beständig im Verbundwerkstoff positioniert werden.By adding a supplemental material to the reinforcing elements of the reinforcing matrix, a higher and more reliable filling of the total volume in the potting process can be achieved, so that the formation of pores and cavities in the composite material is reduced or prevented. By way of example, the term "embed" can be understood to mean that the supplementary material conforms at least in places to the reinforcing elements and / or deforms and / or locally deforms them. It can also be understood that at least partially a flat contact between the reinforcing elements and the supplementary material is produced. Thus, an almost complete infiltration of the composite with the reinforcement matrix can be achieved. It can also be ensured that the reinforcing elements are reliably and consistently positioned in the composite material, especially at high pressures in the casting process.

Das Ergänzungsmaterial kann zudem so ausgebildet werden, dass er sich mit den Verstärkungselementen gut, beispielsweise stoffschlüssig oder auch formschlüssig oder kraftschlüssig, verbindet und seinerseits eine stabile Verbindung zu dem Vergusswerkstoff eingeht. Insbesondere bei aggressiven Schmelzen kann somit auch eine Schädigung der Verstärkungselemente durch den Vergusswerkstoff vermindert werden. Als Ergänzungsmaterial kann beispielsweise ein Werkstoff gewählt werden, der im Vergleich zu dem Vergusswerkstoff eine geringere Oberflächenenergie aufweist, so dass im Falle des Schmelzens des Ergänzungsmaterials eine gute Benetzung der Verstärkungselemente durch das Ergänzungsmaterial erreicht werden kann.The supplementary material can also be designed so that it connects well with the reinforcing elements, for example, materially or positively or positively, and in turn enters into a stable connection to the casting material. In particular, aggressive melts can thus damage to the reinforcing elements are reduced by the casting material. As a supplementary material, for example, a material can be selected, which has a lower surface energy compared to the casting material, so that in the case of melting the supplementary material good wetting of the reinforcing elements can be achieved by the supplementary material.

Das Ergänzungsmaterial kann seinerseits auch mehrere Komponenten enthalten, die verschiedene Erscheinungsformen aufweisen können, wie Pulver, Granulat, Flocken, Platten, Bleche oder Fasern.The supplemental material, in turn, may also contain several components which may be of various forms, such as powders, granules, flakes, plates, sheets or fibers.

Auch in dem Fall, dass die Schmelztemperatur des Vergusswerkstoffs hoch ist, kann ein Einfluss der hohen Temperatur auf die Verstärkungsfasern durch das Ergänzungsmaterial vermindert oder verhindert werden. Das Ergänzungsmaterial kann auch im Materialübergang zwischen den Verstärkungselementen und dem Vergusswerkstoff Zwischenschichten ausbilden, die einen allmählichen oder gestuften Übergang von physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, ermöglichen, so dass Spannungen im Verbundwerkstoff, insbesondere bei Temperaturwechseln, reduziert werden.Even in the case that the melting temperature of the potting material is high, influence of the high temperature on the reinforcing fibers by the replenishing material can be reduced or prevented. The supplementary material can also form intermediate layers in the material transition between the reinforcing elements and the potting material, which enable a gradual or gradual transition of physical properties, such as the coefficient of thermal expansion, so that stresses in the composite material, in particular during temperature changes, are reduced.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung kann darin liegen, dass die Vorform mit einem Vergusswerkstoff bei einer Temperatur oberhalb von 500 Grad Celsius, insbesondere oberhalb von 650 Grad Celsius, vergossen wird. Derartige Temperaturen werden beispielsweise dann erreicht, wenn der Vergusswerkstoff durch ein Metall oder eine Metalllegierung gebildet ist. Die Erfindung bezieht sich jedoch nicht nur auf Metalle, sondern auch auf andere gießfähige Werkstoffe, wie beispielsweise Polymermaterialien.A particular embodiment of the invention can be that the preform is cast with a casting material at a temperature above 500 degrees Celsius, in particular above 650 degrees Celsius. Such temperatures are achieved, for example, when the casting material is formed by a metal or a metal alloy. However, the invention relates not only to metals but also to other pourable materials, such as polymeric materials.

Durch den Prozessschritt der Vorbehandlung, durch den das Ergänzungsmaterial in die Verstärkungsmatrix integriert wird, soll eine Vorform realisiert werden, die mit dem Vergusswerkstoff in einem Gieß- oder Spritzgussprozess vergossen wird. Die eingebrachte Wärme bzw. die notwendige Temperatur beim eigentlichen Gießprozess wird beispielsweise dazu genutzt, das Ergänzungsmaterial zu einer weiteren und noch vollständigeren Benetzung der Verstärkungselemente und/oder zum Anfüllen verbleibender Kavitäten und zur zuverlässigen Verbindung mit den Verstärkungselementen zu bringen. Das Ergänzungsmaterial kann dazu durch eine entsprechende Gestaltung, beispielsweise als Nanopartikel, im Schmelzpunkt herabgesetzt sein und beispielsweise aus schmelzbaren Metallen, z. B. Zinn, Zink, Aluminium oder aus thermoplastischen Kunststoffen bestehen, je nach Auswahl des Vergusswerkstoffs und der Verstärkungselemente.By the process step of the pretreatment, by which the supplementary material is integrated into the reinforcing matrix, a preform is to be realized, which is cast with the casting material in a casting or injection molding process. The introduced heat or the necessary temperature in the actual casting process is used, for example, to bring the supplementary material to a further and more complete wetting of the reinforcing elements and / or filling of remaining cavities and for reliable connection with the reinforcing elements. The supplementary material can be reduced by a corresponding design, for example as nanoparticles, in the melting point and, for example, of fusible metals, for. As tin, zinc, aluminum or thermoplastic materials, depending on the selection of the casting material and the reinforcing elements.

Es kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Einwirken auf das Ergänzungsmaterial eine Druckerhöhung, insbesondere das Aufbringen von mechanischen Druckkräften, umfasst. Nach dem Zufügen des Ergänzungsmaterials zu den Verstärkungselementen kann dazu beispielsweise ein Pressen oder Walzen der Vorform vorgesehen sein.It may be provided in a further advantageous embodiment of the invention that the action on the supplementary material an increase in pressure, in particular the application of mechanical compressive forces comprises. After the addition of the supplementary material to the reinforcing elements, for example, a pressing or rolling of the preform may be provided for this purpose.

Es kann auch vorgesehen sein, dass das Einwirken auf das Ergänzungsmaterial eine Temperaturerhöhung umfasst. Damit kann das Ergänzungsmaterial erweicht, beispielsweise bis über seine Erweichungstemperatur erhitzt oder sogar verflüssigt werden, um sich mit den Verstärkungsfasern gut zu verbinden.It can also be provided that the action on the supplementary material comprises a temperature increase. Thus, the supplemental material can be softened, for example, heated to above its softening temperature or even liquefied to bond well with the reinforcing fibers.

Auch eine Kombination aus Druckerhöhung und Temperaturerhöhung ist denkbar.A combination of pressure increase and temperature increase is conceivable.

Zudem kann eine vorteilhafte Ausgestaltung auch vorsehen, dass das Einwirken auf das Ergänzungsmaterial eine Änderung eines physikalischen Parameters außer der Temperatur und dem Druck, insbesondere einer elektrischen oder magnetischen Feldstärke, umfasst. Hierdurch können entsprechend feldstärkesensitive Ergänzungsmaterialien erreicht werden.In addition, an advantageous embodiment can also provide that the action on the supplementary material includes a change of a physical parameter other than the temperature and the pressure, in particular an electric or magnetic field strength. As a result, field strength-sensitive supplementary materials can be achieved accordingly.

Das Ergänzungsmaterial kann in die Vorform/Verstärkungsmatrix, beispielsweise in Form von Pulver, allgemein in Form eines Granulats, als Strang, beispielsweise in Form von Filamenten, oder als Folie oder Blech eingebracht werden, wobei entsprechende Elemente des Ergänzungsmaterials, beispielsweise eine Anzahl von Filamenten oder Blechen, wunschgemäß zwischen den Verstärkungselementen verteilt eingebracht werden kann. Danach kann durch die entsprechende Vorbehandlung eine Verbindung zwischen dem Ergänzungsmaterial und den Verstärkungselementen derart hergestellt werden, dass ein Form- und/oder Kraftschluss und gegebenenfalls auch ein Stoffschluss erreicht wird.The supplemental material can be incorporated into the preform / reinforcement matrix, for example in the form of powder, generally in the form of granules, as a strand, for example in the form of filaments, or as a film or sheet, with corresponding elements of the supplementary material, for example a number of filaments or Sheets, as desired distributed between the reinforcing elements can be introduced. Thereafter, by the corresponding pretreatment, a connection between the supplementary material and the reinforcing elements can be produced in such a way that a positive and / or non-positive connection and optionally also a material bond is achieved.

Weiter kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass beim Verguss der Vorform mit einer Vergussmasse das Ergänzungsmaterial wenigstens vorübergehend erweicht oder verflüssigt, insbesondere dadurch, dass es bis über seine Erweichungstemperatur erhitzt wird. Beim Verguss selbst kann dadurch das Ergänzungsmaterial nochmals verformt werden und ist auch in der Lage, sich mit dem Vergussmaterial kavitationsfrei zu verbinden und gegebenenfalls mit diesem Mischungen/Legierungen oder intermetallische Phasen einzugehen, die Übergangsschichten bilden können, um einerseits eine feste Verbindung zwischen der Vorform und dem Vergusswerkstoff und andererseits einen stetigen und nicht zu sprunghaften Übergang von physikalischen Parametern zwischen der Verstärkungsmatrix und dem Vergusswerkstoff zu erreichen.Further, it can be provided according to the invention that during the casting of the preform with a potting compound, the supplementary material at least temporarily softens or liquefied, in particular by being heated to above its softening temperature. In the potting itself, the supplementary material can thereby be deformed again and is also able to connect with the potting material cavitation-free and optionally with this mixtures / alloys or intermetallic phases, which can form transition layers, on the one hand a firm connection between the preform and the casting material and on the other hand to achieve a steady and not too sudden transition of physical parameters between the reinforcing matrix and the casting material.

Die Erfindung kann zudem vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, dass das Ergänzungsmaterial zur Bildung der Vorform zwischen den Verstärkungselementen derart angeordnet wird, dass die Verstärkungselemente bezüglich ihrer Dichteverteilung oder einer anderen Eigenschaft, insbesondere der Dicke und/oder Länge der Verstärkungselemente, in dem Ergänzungsmaterial inhomogen, insbesondere gemäß einer Verteilungsfunktion, weiter insbesondere mit einem Gradienten, verteilt sind. Somit kann ein Pulver/Granulat oder ein oder mehrere Filamente bzw. Folien/Bleche des Ergänzungsmaterials beim Aufbau der Verstärkungsmatrix zwischen Verstärkungselemente so eingebracht werden, dass eine gewünschte geometrische Verteilung der Verstärkungselemente im Volumen bezüglich ihrer absoluten Volumendichte oder bezüglich anderer, gegebenenfalls variierender Eigenschaften der Verstärkungselemente eintritt.The invention can also advantageously be configured by arranging the supplementary material for forming the preform between the reinforcing elements in such a way that the reinforcing elements are inhomogeneous with respect to their density distribution or another property, in particular the thickness and / or length of the reinforcing elements in the supplementary material, in particular are distributed according to a distribution function, more particularly with a gradient. Thus, a powder / granule or one or more filaments or foils of complementary material may be incorporated in the construction of the reinforcing matrix between reinforcing elements such that a desired geometric distribution of the reinforcing elements in volume with respect to their absolute volume density or with respect to other optionally varying properties of the reinforcing elements occurs.

Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs auch auf eine Vorform zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffs, bei dem die Vorform als Verstärkungsmatrix dient, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungselemente der Vorform in ein Ergänzungsmaterial eingebettet sind, insbesondere derart, dass die Verstärkungselemente bezüglich ihrer Dichteverteilung oder einer anderen Eigenschaft, insbesondere der Dicke und/oder Länge der Verstärkungselemente, in dem Ergänzungsmaterial oder zwischen Teilen des Ergänzungsmaterials inhomogen, insbesondere mit einem Gradienten, verteilt sind. Eine solche Vorform stellt gemäß den weiter oben zu dem Herstellungsverfahren angeführten Erläuterungen sicher, dass Kavitäten in der Verstärkungsmatrix minimiert werden und ein fester Zusammenhalt zwischen Verstärkungselementen, dem Ergänzungsmaterial und dem Vergusswerkstoff entsteht. Insbesondere wird durch die Gestaltung der Verstärkungselemente und des Ergänzungsmaterials in der Vorform ermöglicht, dass die Verstärkungselemente gemäß einer gewünschten Verteilung in dem Verbundwerkstoff positioniert werden.The invention relates, in addition to a method for producing a composite, also to a preform for producing such a composite, wherein the preform serves as a reinforcing matrix, characterized in that reinforcing elements of the preform are embedded in a supplementary material, in particular such that the reinforcing elements with respect their density distribution or another property, in particular the thickness and / or length of the reinforcing elements, in the supplementary material or between parts of the supplementary material are inhomogeneous, in particular with a gradient distributed. Such a preform, in accordance with the explanations given above on the manufacturing process, ensures that cavities in the reinforcing matrix are minimized and a firm cohesion is created between the reinforcing elements, the supplementary material and the potting material. In particular, the design of the reinforcing elements and the supplemental material in the preform allows the reinforcing elements to be positioned according to a desired distribution in the composite.

Außer auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs und eine Vorform bezieht sich die Erfindung auch auf einen Verbundwerkstoff, der eine Vergussmatrix sowie eine Verstärkungsmatrix aufweist und bei dem ein Ergänzungsmaterial vorgesehen ist, das wenigstens teilweise in Zwischenräumen zwischen Verstärkungselementen der Verstärkungsmatrix angeordnet ist und die Verstärkungselemente wenigstens teilweise einbettet.In addition to a method of making a composite and a preform, the invention also relates to a composite material having a potting matrix and a reinforcement matrix and having a supplemental material disposed at least partially in spaces between reinforcing elements of the reinforcing matrix and the reinforcing elements at least partially embedded.

Durch die Wirkung des Ergänzungsmaterials werden einerseits Hohlräume und Poren im unmittelbar den Verstärkungselementen benachbarten Bereich verringert oder verhindert, und zudem ist das Ergänzungsmaterial derart ausgestaltet, dass er sich mit dem Vergusswerkstoff gut verbindet. Besteht der Vergusswerkstoff aus einem Metall, so kann das Ergänzungsmaterial ebenfalls aus einem Metall bestehen, wobei die Metalle derart gewählt sind, dass sich Legierungen und/oder intermetallische Phasen zwischen dem Ergänzungsmaterial und dem Vergusswerkstoff ausbilden können.On the one hand, due to the action of the supplementary material, cavities and pores are reduced or prevented in the region immediately adjacent to the reinforcing elements, and, moreover, the supplementary material is designed such that it bonds well with the casting material. If the potting material consists of a metal, then the supplementary material can also consist of a metal, wherein the metals are selected such that alloys and / or intermetallic phases can form between the supplementary material and the potting material.

Grundsätzlich sind das Ergänzungsmaterial und das Material der Verstärkungselemente derart aufeinander abgestimmt, dass sich zwischen diesen ein guter Kraftschluss und/oder Formschluss und/oder Stoffschluss ergibt. Zur Förderung eines guten Formschlusses können Verstärkungselemente beispielsweise an ihrer Oberfläche aufgeraut sein.In principle, the supplementary material and the material of the reinforcing elements are matched to one another such that a good frictional connection and / or positive connection and / or material connection results between them. To promote a good fit, reinforcing elements can be roughened, for example, on their surface.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Verstärkungselemente bezüglich ihrer Dichteverteilung oder einer anderen Eigenschaft, insbesondere der Dicke und/oder Länge der Verstärkungselemente, in dem Ergänzungsmaterial inhomogen, insbesondere mit einem Gradienten, verteilt sind. Die Dichte oder Dicke oder Länge der Verstärkungselemente kann beispielsweise von einem Ende des Vergusskörpers bis zum Ende in einer Richtung ansteigen oder abfallen, oder es kann auch in einem Bereich eines Vergusskörpers aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ein Maximum einer bestimmten Eigenschaftsverteilung der Verstärkungselemente erreicht werden. Es kann jedoch auch durch das Ergänzungsmaterial gerade eine möglichst homogene Verteilung der Verstärkungselemente erreicht werden.An advantageous embodiment of the invention provides that the reinforcing elements with respect to their density distribution or another property, in particular the thickness and / or length of the reinforcing elements in the supplementary material inhomogeneous, in particular with a gradient distributed. The density or thickness or length of the reinforcing elements can, for example, rise or fall in one direction from one end of the potting body to the end, or a maximum of a certain property distribution of the reinforcing elements can also be achieved in a region of a potting body of the composite material according to the invention. However, it can also be achieved by the supplementary material just the most homogeneous distribution of the reinforcing elements.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass das Ergänzungsmaterial derart beschaffen ist, dass seine Erweichungstemperatur bei einer Temperatur liegt, die unter der Vergusstemperatur des Vergusswerkstoffs liegt und bei der der Vergusswerkstoff flüssig und zum Verguss geeignet ist. Durch eine entsprechende Werkstoffauswahl erweicht oder verflüssigt sich das Ergänzungsmaterial beim Vergießen des Vergusswerkstoffs, so dass die Herausbildung von Vermischungs- und/oder Verbindungsbereichen zwischen diesen Stoffen begünstigt ist. Zudem ist das Ergänzungsmaterial, wenn es erweicht oder verflüssigt wird, besonders gut in der Lage, Hohlräume zwischen den Verstärkungselementen aufzufüllen und sich an die Verstärkungselemente anzuschmiegen.A further advantageous embodiment of the invention can provide that the supplementary material is such that its softening temperature is at a temperature which is below the Vergusswerkstoffs Vergusswerkstoffs and in which the casting material is liquid and suitable for potting. By an appropriate choice of material, the supplementary material softens or liquefies when casting the casting material, so that the formation of mixing and / or bonding areas between these substances is favored. In addition, when it is softened or liquefied, the supplemental material is particularly well able to fill voids between the reinforcing elements and conform to the reinforcing elements.

Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, dass der Vergusswerkstoff und das Ergänzungsmaterial derart gewählt sind, dass sich im Grenzbereich zwischen ihnen Legierungen und/oder intermetallische Phasen ausbilden können.The invention can also be advantageously configured in that the casting material and the supplementary material are selected such that alloys and / or intermetallic phases can form in the boundary region between them.

Zudem kann auch vorgesehen sein, dass der Vergusswerkstoff und die Verstärkungselemente derart gewählt sind, dass sich im Grenzbereich zwischen ihnen Legierungen und/oder intermetallische Phasen ausbilden können. Auch die Verbindung zwischen dem Vergusswerkstoff und den Verstärkungselementen wird auf diese Weise möglichst stabil ausgestaltet.In addition, it can also be provided that the casting material and the reinforcing elements are selected such that alloys and / or intermetallic phases can form in the boundary region between them. The connection between the casting material and the reinforcing elements is designed as stable as possible in this way.

Es kann außerdem vorgesehen sein, dass der Vergusswerkstoff aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht und dass die Verstärkungselemente aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen und insbesondere als Fasern ausgebildet sind.It may also be provided that the casting material consists of a metal or a metal alloy and that the reinforcing elements consist of a metal or a metal alloy and are in particular formed as fibers.

Als Vergussverfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs kommen verschiedene Verfahren wie Druckguss, Niederdruckguss, Kokillenguss, Spritzguss, Squeeze-Casting oder Thixo-Casting sowie andere übliche Verfahren in Betracht.As casting method for the production of the composite material come various Methods such as die casting, low pressure casting, chill casting, injection molding, squeeze casting or thixo-casting and other conventional methods into consideration.

Die Verstärkungselemente können beispielsweise in der Form eines Granulats, als Partikel, Nanopartikel oder auch als Fasern ausgebildet sein. Fasern können in einem textilartigen Gewebe oder auch als Bündel vorliegen, wobei ein entsprechendes Gewebe eine textilartig herstellbare Struktur bilden kann, die gewobene, geflochtene, gestrickte, durch Fiberplacement herstellbare, gestickte oder sonstige Formen umfasst. Zur Herstellung eines derartigen Gewebes aus Verstärkungsfasern können somit sämtliche bekannten textiltechnischen Verfahren angewendet werden.The reinforcing elements may be formed, for example, in the form of granules, as particles, nanoparticles or else as fibers. Fibers can be present in a textile-like fabric or else as a bundle, with a corresponding fabric being able to form a textile-like structure comprising woven, braided, knitted, fiber-placeable, embroidered or other forms. For the production of such a fabric of reinforcing fibers, it is thus possible to use all known textile-technical processes.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren einer Zeichnung dargestellt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigtEmbodiments of the invention are illustrated below with reference to figures of a drawing and explained below. It shows

1 einen Teilquerschnitt durch ein Bündel von Verstärkungsfasern mit einer Faser aus einem Ergänzungsmaterial, 1 a partial cross section through a bundle of reinforcing fibers with a fiber of a supplementary material,

2 einen Querschnitt durch einen Verbundwerkstoff, der mit einer Vorform wie in 1 dargestellt entstanden ist, 2 a cross-section through a composite material with a preform as in 1 emerged,

3 ein Bündel von Verstärkungsfasern mit darin verteilten Fasern aus einem Ergänzungsmaterial, 3 a bundle of reinforcing fibers with fibers of a supplementary material distributed therein,

4 einen Teilquerschnitt durch einen Verbundwerkstoff, der aus einer Vorform wie in 3 gezeigt hergestellt ist, 4 a partial cross section through a composite material, which consists of a preform as in 3 is shown shown

5 Verstärkungsfasern einer Vorform im Querschnitt mit zwei Folien aus einem Ergänzungsmaterial, die als Deckfolien ausgeführt sind, 5 Reinforcing fibers of a preform in cross-section with two films of a supplementary material, which are designed as cover films,

6 schematisch einen Behandlungsschritt der Vorform aus 5, 6 schematically a treatment step of the preform 5 .

7 die Vorform aus den 5 und 6 vor dem Verguss, 7 the preform from the 5 and 6 before the casting,

8 einen Verbundwerkstoff mit einer Vorform wie in 7 gezeigt, 8th a composite with a preform as in 7 shown,

9 einen Querschnitt einer Vorform mit mehreren Folienlagen aus einem Ergänzungsmaterial und Verstärkungsfasern, 9 a cross-section of a preform having a plurality of foil layers of a supplementary material and reinforcing fibers,

10 einen Vorbehandlungsschritt der Vorform aus 9, 10 a pre-treatment step of the preform 9 .

11 die Vorform, die aus dem Vorbehandlungsschritt wie in 10 dargestellt entstanden ist, vor dem Verguss, 11 the preform coming from the pretreatment step as in 10 emerged before the casting,

12 ein Verbundmaterial im Querschnitt, das aus einer Vorform wie in den 9 bis 11 dargestellt entstanden ist, 12 a composite material in cross section, which consists of a preform as in 9 to 11 emerged,

13 eine Anordnung mit flächenhaften Verstärkungselementen, zwischen denen Ergänzungsmaterial granular oder in Form von Filamenten derart inhomogen verteilt ist, dass benachbarte Verstärkungselemente durch unterschiedliche Mengen von Ergänzungsmaterial voneinander getrennt sind, 13 an arrangement with planar reinforcing elements, between which supplementary material is distributed in a granular or in the form of filaments inhomogeneous such that adjacent reinforcing elements are separated from each other by different amounts of supplementary material,

14 einen Behandlungsschritt der Vorform aus 13, 14 a treatment step of the preform 13 .

15 die vorbehandelte Vorform aus 14 vor dem Verguss, 15 the pretreated preform 14 before the casting,

16 einen aus der Vorform aus den 13, 14 und 15 entstandenen Verbundwerkstoff, 16 one from the preform from the 13 . 14 and 15 resulting composite material,

17 flächenhafte Verstärkungselemente mit zwischen diesen statistisch gleich verteilt angeordneten Elementen, insbesondere Granulat oder Fasern, eines Ergänzungsmaterials, 17 laminar reinforcing elements with randomly distributed between these elements, in particular granules or fibers, a supplementary material,

18 schematisch einen Vorbehandlungsschritt zur Herstellung der Vorform, 18 schematically a pretreatment step for producing the preform,

19 die aus den Elementen der 17 und 18 entstandene Vorform vor dem Verguss mit gleichmäßig verteilten Verstärkungselementen sowie 19 those from the elements of 17 and 18 formed preform before casting with evenly distributed reinforcing elements and

20 einen aus einer Vorform wie in 19 dargestellt entstandenen Verbundwerkstoff im Querschnitt. 20 one from a preform as in 19 represented composite material in cross section.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical or similar elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt in einem Querschnitt einerseits Verstärkungsfasern 1, 2, 3, die in einem Bündel zusammengefasst sind, andererseits ein Filament 4 aus einem Ergänzungsmaterial. Sowohl die Verstärkungsfasern 1, 2, 3 als auch das Ergänzungsmaterial 4 können aus einem Metall bestehen. Die Verstärkungsfasern 1, 2, 3 können beispielsweise auch als Glasfasern oder Kohlenstofffasern oder aus einem anderen Werkstoff ausgebildet sein. Das Ergänzungsmaterial, aus dem das Filament 4 besteht, sollte eine niedrigere Erweichungstemperatur und/oder einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als das Material der Verstärkungsfasern 1, 2, 3, und insbesondere auch eine niedrigere Erweichungstemperatur als die Schmelztemperatur des Vergusswerkstoffs. 1 shows in a cross section on the one hand reinforcing fibers 1 . 2 . 3 which are grouped in a bundle, on the other hand a filament 4 from a supplementary material. Both the reinforcing fibers 1 . 2 . 3 as well as the supplementary material 4 can consist of a metal. The reinforcing fibers 1 . 2 . 3 For example, they may also be formed as glass fibers or carbon fibers or from another material. The supplementary material from which the filament 4 should have a lower softening temperature and / or a lower melting point than the material of the reinforcing fibers 1 . 2 . 3 , And in particular, a lower softening temperature than the melting temperature of the casting material.

2 zeigt nach dem Verguss im Querschnitt einen Verbundwerkstoff mit einem Vergusswerkstoff 5, der das Faserbündel aus den Verstärkungsfasern 1, 2, 3 umgibt, wobei das Ergänzungsmaterial 6 sich zwischen den Verstärkungsfasern 1, 2, 3 verformt und diese zum Teil vollständig umgibt und zumindest zum Teil einbettet, derart, dass ein flächiger Kontakt zwischen dem Ergänzungsmaterial 6 und der Oberfläche der Verstärkungselemente 1, 2, 3 hergestellt ist. 2 shows after casting in cross section a composite material with a casting material 5 which is the fiber bundle of the reinforcing fibers 1 . 2 . 3 surrounds, with the supplementary material 6 between the reinforcing fibers 1 . 2 . 3 deformed and this partially completely surrounds and at least partially embeds, such that a surface contact between the supplementary material 6 and the surface of the reinforcing elements 1 . 2 . 3 is made.

3 zeigt eine andere Ausgangsstruktur, bei der Verstärkungselemente 1, 2, 3 in Form von Verstärkungsfasern mit etwa im Durchmesser gleich großen Filamenten 4, 7, 8 aus einem Ergänzungsmaterial gemischt sind. Die jeweiligen Elemente sind im Querschnitt einigermaßen homogen verteilt, so dass sich in dem entstehenden Verbundwerkstoff etwa gleichmäßig verteilte Verstärkungsfasern 1, 2, 3 innerhalb eines Ergänzungsmaterials 6 wiederfinden. Das Ergänzungsmaterial kann bezüglich der Form aus ebensolchen Fasern bestehen wie die Verstärkungsfasern. 3 shows another starting structure, in which reinforcing elements 1 . 2 . 3 in the form of reinforcing fibers with approximately equal in diameter filaments 4 . 7 . 8th are mixed from a supplementary material. The respective elements are fairly homogeneously distributed in cross-section, so that in the resulting composite about uniformly distributed reinforcing fibers 1 . 2 . 3 within a supplemental material 6 find. The supplemental material may be made of the same fibers in terms of shape as the reinforcing fibers.

Je nach der Menge und der Positionierung des Ergänzungsmaterials in der Vorform kann das Bündel aus Verstärkungselementen 1, 2, 3 außen weitgehend von dem Ergänzungsmaterial umgeben sein oder zur direkten Verbindung mit dem Vergusswerkstoff 5 freiliegen. In jedem Fall sollte auch das Ergänzungsmaterial 6 gute Verbindungseigenschaften zum Vergusswerkstoff 5 aufweisen. Der Vergusswerkstoff 5 kann beispielsweise ein Metall oder eine Metalllegierung sein, ebenso wie das Ergänzungsmaterial 6. Die Fasern 1, 2, 3 können ebenfalls metallisch sein. Entsprechende Verstärkungselemente 1, 2, 3 können als kurze oder lange Fasern oder auch als Partikel ausgebildet sein.Depending on the amount and positioning of the supplemental material in the preform, the bundle of reinforcing elements 1 . 2 . 3 outside largely be surrounded by the supplementary material or for direct connection with the casting material 5 exposed. In any case, the supplementary material should also 6 good bonding properties to the casting material 5 exhibit. The casting material 5 For example, it may be a metal or a metal alloy as well as the supplemental material 6 , The fibers 1 . 2 . 3 can also be metallic. Corresponding reinforcing elements 1 . 2 . 3 may be formed as short or long fibers or as particles.

Der Vergusswerkstoff 5 kann jedoch beispielsweise auch ein Polymer sein. In diesem Falle kann auch das Ergänzungsmaterial 6 als Polymer ausgebildet sein, während die Verstärkungselemente beispielsweise vorteilhaft als Glasfaserelemente oder als Kohlefaserelemente ausgebildet sein können.The casting material 5 However, for example, it may also be a polymer. In this case, also the supplementary material 6 be formed as a polymer, while the reinforcing elements may for example be advantageously designed as glass fiber elements or carbon fiber elements.

5 zeigt Verstärkungsfasern/Verstärkungselemente 1, 2, 3, die zwischen zwei Decklagen 9, 10 eines Ergänzungsmaterials angeordnet sind. 5 shows reinforcing fibers / reinforcing elements 1 . 2 . 3 that between two cover layers 9 . 10 a supplementary material are arranged.

In 6 ist angedeutet, dass die Elemente der Vorform/Verstärkungsmatrix durch Druckbehandlung und/oder Temperatureinwirkung verändert werden, dadurch, dass die Decklagen 9, 10 zwischen die Verstärkungselemente 1, 2, 3 eingedrückt werden. Das Ergebnis ist in 7 zu erkennen, gemäß der die Decklagen 9, 10 sich derart verformt haben, dass sie die äußeren Lagen der Verstärkungselemente 1, 2, 3 teilweise einbetten und nach außen abschließen.In 6 is indicated that the elements of the preform / reinforcement matrix are changed by pressure treatment and / or temperature influence, characterized in that the cover layers 9 . 10 between the reinforcing elements 1 . 2 . 3 be pressed. The result is in 7 to recognize according to the cover layers 9 . 10 have deformed such that they the outer layers of the reinforcing elements 1 . 2 . 3 partially embed and lock to the outside.

In einem weiteren Schritt wird der Vergusswerkstoff 5 mit der beschriebenen Vorform vergossen. Dabei kann das Material der Decklagen 9, 10 weiter schmelzen und sich in die Zwischenräume zwischen den Verstärkungselementen 1, 2, 3 ziehen, beispielsweise auch durch Kapillarwirkung, abhängig von der Oberflächenenergie des jeweiligen Ergänzungsmaterials. Es kann dann beim Verguss eine Form entstehen, wie sie in 8 dargestellt ist, in der das Ergänzungsmaterial sich in die Hohlräume zwischen den Verstärkungselementen 1, 2, 3 bewegt hat. Die Verstärkungsmatrix ist außen von dem Vergusswerkstoff 5 umgeben.In a further step, the casting material 5 potted with the described preform. In this case, the material of the cover layers 9 . 10 continue to melt and get into the spaces between the reinforcing elements 1 . 2 . 3 pull, for example, by capillary action, depending on the surface energy of the respective supplementary material. It can then form a mold during potting, as in 8th is shown, in which the supplementary material is in the cavities between the reinforcing elements 1 . 2 . 3 has moved. The reinforcing matrix is outside of the potting material 5 surround.

Die in 7 gezeigte Einheit kann auch lediglich ein Element der Verstärkungsmatrix darstellen, das sich regelmäßig innerhalb des Verbundwerkstoffs wiederholt. Auch der in 8 gezeigte Querschnitt kann lediglich ein Ausschnitt aus einem größeren Verbundwerkstoffkörper sein.In the 7 Also, the unit shown may merely represent one element of the reinforcement matrix that regularly repeats within the composite. Also the in 8th shown cross section can only be a section of a larger composite body.

Gemäß 9 sind verschiedene Verstärkungselemente 1, 2, 3 regelmäßig von Folienlagen 9, 10, 11, 12 durchsetzt. Die Folienlagen 9, 10, 11, 12 bestehen aus einem Ergänzungsmaterial. Die in 9 gezeigte Struktur wird dann gemäß einem in 10 gezeigten Behandlungsschritt durch eine Druck- und/oder Temperaturbehandlung, beispielsweise mittels Walzens, bearbeitet, so dass die Folienschichten 9, 10, 11, 12 sich zwischen den Verstärkungselementen 1, 2, 3 wenigstens teilweise verformen und die Verstärkungselemente, beispielsweise Verstärkungsfasern, wenigstens teilweise einbetten. Verbleibende Hohlräume in der in 11 dargestellten Struktur können dann beispielsweise bei einem Verguss mit einem heißen Vergusswerkstoff gefüllt werden, indem das Ergänzungsmaterial der Folienlagen 9, 10, 11, 12 aufschmilzt und sich weiter zwischen den Verstärkungselementen 1, 2, 3 verteilt, bis nahezu alle Kavitäten/Poren aufgefüllt sind. Beim Verguss mit einem Vergusswerkstoff 5 entsteht dann im Querschnitt eine Struktur, wie sie in 12 dargestellt ist, wobei die Verstärkungselemente 1, 2, 3 in ein Ergänzungsmaterial praktisch vollständig eingebettet sind.According to 9 are different reinforcing elements 1 . 2 . 3 regularly from film layers 9 . 10 . 11 . 12 interspersed. The foil layers 9 . 10 . 11 . 12 consist of a supplementary material. In the 9 The structure shown is then according to a in 10 shown treatment step by a pressure and / or temperature treatment, for example by means of rolling, processed so that the film layers 9 . 10 . 11 . 12 between the reinforcing elements 1 . 2 . 3 at least partially deform and at least partially embed the reinforcing elements, such as reinforcing fibers. Remaining voids in the in 11 The structure shown can then be filled, for example, in a casting with a hot casting material by the supplementary material of the film layers 9 . 10 . 11 . 12 melts and continues between the reinforcing elements 1 . 2 . 3 distributed until almost all cavities / pores are filled. When casting with a casting material 5 then arises in cross section a structure, as in 12 is shown, wherein the reinforcing elements 1 . 2 . 3 are embedded in a supplementary material practically completely.

In 13 sind flächenartige Verstärkungselemente 1a, 2a, 3a dargestellt, zwischen denen ein Ergänzungsmaterial in Form von Partikeln 13, 14, 15 verteilt ist. Die Partikel des Ergänzungsmaterials können als Granulat oder auch Faserstücke, Fasern oder Faserabschnitte vorliegen. Zwischen den verschiedenen Verstärkungselementen 1a, 2a, 3a sind unterschiedliche Mengen des Ergänzungsmaterials angeordnet, so dass die Verstärkungselemente 1a, 2a, 3a verschiedene Abstände zueinander einnehmen.In 13 are sheet-like reinforcing elements 1a . 2a . 3a between which a supplementary material in the form of particles 13 . 14 . 15 is distributed. The particles of the supplementary material can be present as granules or fiber pieces, fibers or fiber sections. Between the different reinforcing elements 1a . 2a . 3a are arranged different amounts of the supplementary material, so that the reinforcing elements 1a . 2a . 3a take different distances to each other.

Anstelle unterschiedlicher Mengen des Ergänzungsmaterials können auch andere Strukturen bei der Verteilung des Ergänzungsmaterials gewählt werden, wie beispielsweise unterschiedliche Granularität des Ergänzungsmaterials.Instead of varying amounts of the supplemental material, other structures may be chosen in the distribution of the supplemental material, such as different granularity of the supplemental material.

In 14 ist ein Vorbehandlungsschritt der Elemente aus 13 gezeigt. Es wird mittels Druckerhöhung und gegebenenfalls auch mit einer Temperaturerhöhung eingewirkt, wobei das Ergänzungsmaterial erweicht wird. Die Druckerhöhung kann beispielsweise durch Pressen oder Walzen erfolgen. In 14 is a pretreatment step of the elements 13 shown. It is acted upon by increasing the pressure and possibly also with a temperature increase, wherein the supplementary material is softened. The pressure increase can be done for example by pressing or rolling.

In 15 ist eine Vorform gezeigt, die durch den Vorbehandlungsschritt aus den 14 und 15 entsteht, wobei zwischen den verschiedenen Verstärkungselementen 1a, 2a, 3a unterschiedliche Mengen des Ergänzungsmaterials möglichst poren- und kavitätsarm liegen. Hierdurch werden die Verstärkungselemente 1a, 2a, 3a zuverlässig und in der gewünschten Struktur zueinander positioniert. Dadurch kann in einem entstehenden Verbundwerkstoff auch die Dichte der Verstärkungselemente graduiert werden.In 15 a preform is shown by the pre-treatment step of the 14 and 15 arises, being between the different reinforcing elements 1a . 2a . 3a different amounts of the supplementary material are as low in pores and kavitätsarm. As a result, the reinforcing elements 1a . 2a . 3a Reliable and positioned in the desired structure to each other. As a result, the density of the reinforcing elements can be graduated in a resulting composite material.

Wird die Vorform aus 15 mit einem Vergusswerkstoff 5 vergossen, so entsteht die Struktur, die im Querschnitt in 16 dargestellt ist. Die Verstärkungselemente 1a, 2a, 3a sind einerseits in das Ergänzungsmaterial 6 eingebettet und andererseits mit diesem zusammen in den Vergusswerkstoff 5 eingebettet. Dabei sollten die Materialien so gewählt werden, dass einerseits zwischen dem Vergusswerkstoff 5 und den Verstärkungselementen 1a, 2a, 3a und andererseits zwischen dem Ergänzungsmaterial 6 und dem Vergusswerkstoff 5 sowie idealerweise auch zwischen den Verstärkungselementen 1a, 2a und 3a und dem Ergänzungsmaterial 6 ein Stoffschluss und/oder Kraftschluss und/oder Formschluss besteht.Will the preform out 15 with a casting material 5 potted, the structure is created, which in cross section in 16 is shown. The reinforcing elements 1a . 2a . 3a are on the one hand in the supplementary material 6 embedded and on the other hand with this together in the casting material 5 embedded. The materials should be chosen so that on the one hand between the casting material 5 and the reinforcing elements 1a . 2a . 3a and on the other hand, between the supplementary material 6 and the potting material 5 and ideally also between the reinforcing elements 1a . 2a and 3a and the supplementary material 6 an adhesion and / or adhesion and / or form fit exists.

17 zeigt wie 13 eine Verteilung von Verstärkungselementen 1a, 2a, 3a, die flächenartig ausgebildet sind, wobei grundsätzlich sowohl bei der Graduierung als auch bei der in den 17 bis 20 gezeigten homogenen Verteilung von Verstärkungselementen sowohl flächenhafte als auch faserartige Verstärkungselemente oder auch partikelförmige Verstärkungselemente verwendet werden können. 17 shows how 13 a distribution of reinforcing elements 1a . 2a . 3a , which are formed like a sheet, wherein basically both in the graduation as well as in the 17 to 20 shown homogeneous distribution of reinforcing elements both planar and fibrous reinforcing elements or particulate reinforcing elements can be used.

In 17 ist die Anordnung von Partikeln 13, 14, 15 zwischen den Verstärkungselementen 1a, 2a, 3a gezeigt, wobei die Partikel des Ergänzungsmaterials unterschiedliche Granularität haben, jedoch statistisch zwischen den Verstärkungselementen gleich verteilt sind, derart, dass die Gesamtmenge des Ergänzungsmaterials zwischen benachbarten Verstärkungselementen jeweils etwa gleich ist.In 17 is the arrangement of particles 13 . 14 . 15 between the reinforcing elements 1a . 2a . 3a shown, wherein the particles of the supplementary material have different granularity, but statistically distributed equally between the reinforcing elements, such that the total amount of the supplementary material between adjacent reinforcing elements is approximately equal.

In 18 ist wiederum ein Behandlungsschritt der in 17 gezeigten Elemente dargestellt, in dem auf die Elemente durch Druck, beispielsweise Walzen oder Pressen, und gegebenenfalls auch durch eine Temperaturerhöhung eingewirkt wird.In 18 is again a treatment step in 17 shown elements in which the elements by pressure, such as rolling or pressing, and optionally also acted by a temperature increase.

19 zeigt das Ergebnis des Vorbehandlungsschritts aus 18, wodurch eine feste Verstärkungsmatrix/Vorform entstanden ist, bei der die Zwischenräume zwischen den Verstärkungselementen 1a, 2a, 3a praktisch vollständig durch das Ergänzungsmaterial 6 aufgefüllt sind. Die Verstärkungselemente 1a, 2a, 3a sind dadurch mit etwa gleichen Abständen zueinander positioniert und in einem späteren Verbundwerkstoff gleich verteilt. 19 shows the result of the pretreatment step 18 , resulting in a fixed gain matrix / preform, in which the spaces between the reinforcing elements 1a . 2a . 3a practically complete by the supplementary material 6 are filled up. The reinforcing elements 1a . 2a . 3a are thus positioned at approximately equal distances from each other and evenly distributed in a later composite material.

20 zeigt den durch Verguss mit dem Vergussmaterial 5 entstehenden Verbundwerkstoff, in den die Vorform eingebettet ist. 20 shows the by casting with the potting material 5 resulting composite material in which the preform is embedded.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Verstärkungselemente in Form von Partikeln, Faserabschnitten oder Fasern, beispielsweise durch ein beliebiges textilartiges Gewebe, oder auch durch flächenhafte Elemente gebildet sein können, wobei zwischen diesen jeweils ein Ergänzungsmaterial in Form von Fasern, Partikeln, Folien, Blechen, auch Metallblechen, vorliegen kann. In einem Vorbehandlungsschritt wird eine Vorform durch Druckeinwirkung oder Temperatureinwirkung oder beides gebildet, um eine Vorinfiltration der Verstärkungsstruktur mit dem Ergänzungsmaterial zu erreichen. Zwischenräume und Poren/Kavitäten zwischen den Verstärkungselementen werden dadurch minimiert. In einem folgenden Vergussschritt mit einem Vergusswerkstoff wird der Verbundwerkstoff hergestellt, wobei der Verguss in vielen Fällen mit einer Temperaturerhöhung verbunden ist, beispielsweise beim Metallguss, wodurch das Ergänzungsmaterial bei geeigneter Wahl seiner Erweichungstemperatur oder Schmelztemperatur mit erweicht oder verflüssigt wird, so dass verbleibende Poren/Kavitäten weiter verringert oder beseitigt werden können. Beim Verguss kann durch das Ergänzungsmaterial einerseits das Material der Verstärkungselemente geschont werden, dadurch, dass es nicht direkt oder nur in verringertem Maß mit einer heißen Metallschmelze oder mit aggressiven Vergusswerkstoffen in Verbindung kommt. Andererseits kann das Ergänzungsmaterial eine gute Haftvermittlung ermöglichen, wobei beispielsweise auch Spannungen, insbesondere thermische Spannungen, zwischen dem Vergusswerkstoff und den Verstärkungselementen durch einen zusätzlichen Materialübergang verringert werden können.In summary, it should be noted that the reinforcing elements may be formed in the form of particles, fiber sections or fibers, for example by any textile-like fabric, or by planar elements, between each of which a supplementary material in the form of fibers, particles, films, sheets, also Metal sheets, may be present. In a pre-treatment step, a preform is formed by pressure or temperature action, or both, to achieve pre-infiltration of the reinforcing structure with the supplemental material. Gaps and pores / cavities between the reinforcing elements are thereby minimized. In a subsequent casting step with a casting material, the composite material is produced, wherein the casting is in many cases associated with an increase in temperature, for example in metal casting, whereby the supplementary material is softened or liquefied with a suitable choice of its softening temperature or melting temperature, so that remaining pores / cavities can be further reduced or eliminated. When casting, the material of the reinforcing elements can be spared by the supplementary material on the one hand, that it does not come directly or only to a reduced extent with a hot molten metal or with aggressive casting materials in combination. On the other hand, the supplementary material can provide a good adhesion, wherein, for example, stresses, in particular thermal stresses, between the casting material and the reinforcing elements can be reduced by an additional material transition.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit in komfortabler Weise die Gestaltung bei der Auswahl und Verteilung von Verstärkungselementen in einem Verbundwerkstoff.The present invention thus provides a comfortable way of designing in the selection and distribution of reinforcing elements in a composite material.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10319852 B3 [0004] DE 10319852 B3 [0004]

Claims (16)

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, bei dem eine Vorform (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f) als Verstärkungsmatrix durch Kombinieren von Verstärkungselementen (1, 2, 3; 1a, 2a, 3a) mit einem Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15) gebildet wird, wobei das Ergänzungsmaterial den Verstärkungselementen hinzugefügt wird und wobei durch eine Vorbehandlung auf das Ergänzungsmaterial derart eingewirkt wird, dass es verformt wird und die Verstärkungselemente der Verstärkungsmatrix wenigstens teilweise einbettet.Process for the production of a composite material in which a preform ( 100 . 100a . 100b . 100c . 100d . 100e . 100f ) as a gain matrix by combining gain elements ( 1 . 2 . 3 ; 1a . 2a . 3a ) with a supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ), wherein the supplemental material is added to the reinforcing elements, and wherein pretreatment acts on the supplemental material to deform it and at least partially embed the reinforcing elements of the reinforcing matrix. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorform (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f) mit einem Vergusswerkstoff bei einer Temperatur oberhalb von 500 Grad Celsius vergossen wird.Method according to claim 1, characterized in that the preform ( 100 . 100a . 100b . 100c . 100d . 100e . 100f ) is poured with a potting material at a temperature above 500 degrees Celsius. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirken auf das Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15) eine Druckerhöhung, insbesondere das Aufbringen von mechanischen Druckkräften, umfasst.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the action on the supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ) comprises an increase in pressure, in particular the application of mechanical compressive forces. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirken auf das Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15) eine Temperaturerhöhung umfasst.Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the action on the supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ) comprises a temperature increase. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirken auf das Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15) eine Änderung eines physikalischen Parameters außer der Temperatur und dem Druck, insbesondere einer elektrischen oder magnetischen Feldstärke, umfasst.Method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the action on the supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ) comprises a change of a physical parameter other than the temperature and the pressure, in particular an electric or magnetic field strength. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verguss der Vorform (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f) mit einer Vergussmasse (5) das Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15) wenigstens vorübergehend erweicht, insbesondere dadurch, dass es bis über seine Erweichungstemperatur erhitzt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that during the casting of the preform ( 100 . 100a . 100b . 100c . 100d . 100e . 100f ) with a potting compound ( 5 ) the supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ) at least temporarily softens, in particular by being heated above its softening temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergänzungsmaterial zur Bildung der Vorform (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f) zwischen den Verstärkungselementen (1, 2, 3; 1a, 2a, 3a) derart angeordnet wird, dass die Verstärkungselemente bezüglich ihrer Dichteverteilung oder einer anderen Eigenschaft, insbesondere der Dicke und/oder Länge der Verstärkungselemente, in dem Ergänzungsmaterial inhomogen, insbesondere gemäß einer Verteilungsfunktion, weiter insbesondere mit einem Gradienten, verteilt sind.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the supplementary material for forming the preform ( 100 . 100a . 100b . 100c . 100d . 100e . 100f ) between the reinforcing elements ( 1 . 2 . 3 ; 1a . 2a . 3a ) is arranged such that the reinforcing elements with respect to their density distribution or another property, in particular the thickness and / or length of the reinforcing elements in the supplementary material inhomogeneous, in particular according to a distribution function, further in particular with a gradient distributed. Vorform zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, bei dem die Vorform als Verstärkungsmatrix dient, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungselemente (1, 2, 3; 1a, 2a, 3a) der Vorform in ein Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15) eingebettet sind, insbesondere derart, dass die Verstärkungselemente bezüglich ihrer Dichteverteilung oder einer anderen Eigenschaft, insbesondere der Dicke und/oder Länge der Verstärkungselemente, in dem Ergänzungsmaterial oder zwischen Teilen des Ergänzungsmaterials inhomogen, insbesondere mit einem Gradienten, verteilt sind.Preform for producing a composite material in which the preform serves as a reinforcing matrix, characterized in that reinforcing elements ( 1 . 2 . 3 ; 1a . 2a . 3a ) of the preform into a supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ) are embedded, in particular such that the reinforcing elements with respect to their density distribution or other property, in particular the thickness and / or length of the reinforcing elements, in the supplementary material or between parts of the supplementary material inhomogeneous, in particular with a gradient distributed. Verbundwerkstoff, der eine Vergussmatrix sowie eine Verstärkungsmatrix aufweist, gekennzeichnet durch ein Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15), das wenigstens teilweise in Zwischenräumen zwischen Verstärkungselementen (1, 2, 3; 1a, 2a, 3a) der Verstärkungsmatrix angeordnet ist und die Verstärkungselemente wenigstens teilweise einbettet.Composite comprising a potting matrix and a reinforcing matrix characterized by a supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ), at least partially in spaces between reinforcing elements ( 1 . 2 . 3 ; 1a . 2a . 3a ) of the reinforcing matrix is arranged and at least partially embeds the reinforcing elements. Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (1, 2, 3; 1a, 2a, 3a) bezüglich ihrer Dichteverteilung oder einer anderen Eigenschaft, insbesondere der Dicke und/oder Länge der Verstärkungselemente, in dem Ergänzungsmaterial inhomogen, insbesondere mit einem Gradienten, verteilt sind.Composite material according to claim 9, characterized in that the reinforcing elements ( 1 . 2 . 3 ; 1a . 2a . 3a ) are distributed in terms of their density distribution or another property, in particular the thickness and / or length of the reinforcing elements in the supplementary material inhomogeneous, in particular with a gradient. Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15) derart beschaffen ist, dass seine Erweichungstemperatur bei einer Temperatur liegt, die unter der Vergusstemperatur des Vergusswerkstoffs liegt und bei der der Vergusswerkstoff flüssig und zum Verguss geeignet ist.Composite material according to claim 10, characterized in that the supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ) is such that its softening temperature is at a temperature which is below the pouring temperature of the casting material and in which the casting material is liquid and suitable for casting. Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (1, 2, 3; 1a, 2a, 3a) an dem Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15) formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig haften.Composite material according to claim 9, 10 or 11, characterized in that the reinforcing elements ( 1 . 2 . 3 ; 1a . 2a . 3a ) on the supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ) adhere positively, cohesively or non-positively. Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergusswerkstoff (5) und das Ergänzungsmaterial (4, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15) derart gewählt sind, dass sich im Grenzbereich zwischen ihnen Legierungen und/oder intermetallische Phasen ausbilden können.Composite material according to claim 9, 10, 11 or 12, characterized in that the casting material ( 5 ) and the supplementary material ( 4 . 6 . 7 . 8th . 9 . 10 . 13 . 14 . 15 ) are selected such that in the boundary region between them alloys and / or intermetallic phases can form. Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergusswerkstoff (5) und die Verstärkungselemente (1, 2, 3; 1a, 2a, 3a) derart gewählt sind, dass sich im Grenzbereich zwischen ihnen Legierungen und/oder intermetallische Phasen ausbilden können.Composite material according to claim 9, 10, 11, 12 or 13, characterized in that the casting material ( 5 ) and the reinforcing elements ( 1 . 2 . 3 ; 1a . 2a . 3a ) are selected such that in the boundary region between them alloys and / or intermetallic phases can form. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergusswerkstoff (5) aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht. Composite material according to one of claims 8 to 14, characterized in that the casting material ( 5 ) consists of a metal or a metal alloy. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (1, 2, 3; 1a, 2a, 3a) aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen und insbesondere als Fasern ausgebildet sind.Composite material according to one of claims 8 to 14, characterized in that the reinforcing elements ( 1 . 2 . 3 ; 1a . 2a . 3a ) consist of a metal or a metal alloy and are in particular formed as fibers.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102020203664A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Method for the casting connection of a component with a metal

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DE10319852B3 (en) 2003-05-03 2004-12-09 Daimlerchrysler Ag Composite material used in the production of vehicles and engines comprises a metallic material which infiltrates a porous fibrous body which forms a blank
DE102012011264A1 (en) * 2012-06-07 2013-12-12 Technische Universität Dresden Metal casting composite component has component main portion with which textile fiber reinforcement formed from fibers, threads, fiber bundles or metallic wires is embedded

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