DE102016211156A1

DE102016211156A1 - Method for producing a composite component and a composite component

Info

Publication number: DE102016211156A1
Application number: DE102016211156.6A
Authority: DE
Inventors: Niels Friedrich-Schilling; Annett Klotzbach
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28
Also published as: EP3475047A1; WO2017220372A1

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils werden mindestens ein erster Fügepartner aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner aus einem mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff miteinander verbunden. Verbindungsfasern sind in einem Verbindungsbereich durch Zwischenräume, die zwischen Verstärkungsfasern vorhanden. Außerdem werden Verbindungsfasern durch Durchbrechungen, die in einem ersten Fügepartner ausgebildet sind, mit einem textilen Verfahren hindurchgeführt. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung ausgebildet. Zumindest im Verbindungsbereich ist kein die polymere Matrix bildender Werkstoff vorhanden oder zumindest im Verbindungsbereich ist keine polymere Matrix ausgebildet. Im Anschluss daran wird viskoser polymerer Matrixwerkstoff in den Verbindungsbereich injiziert oder infiltriert oder die Fasern aus einem polymeren Werkstoff, die mit den Verstärkungsfasern ein textiles Gebilde bilden, zu einer polymeren Matrix werden mit einer Wärmebehandlung umgewandelt, so dass die Verbindungsfasern in die polymere Matrix eingebettet werden.In the method for producing a composite component, at least one first joining partner made of a metallic or ceramic material with a second joining partner made of a fiber composite material formed with reinforcing fibers and a polymeric matrix are joined together. Connecting fibers are in a joint area through gaps existing between reinforcing fibers. In addition, connecting fibers are passed through openings, which are formed in a first joining partner, using a textile process. As a result, a positive connection is formed. At least in the connection region no material forming the polymeric matrix is present or at least in the connection region no polymeric matrix is formed. Subsequently, viscous polymeric matrix material is injected or infiltrated into the bonding area or the fibers of a polymeric material which form a textile structure with the reinforcing fibers are converted to a polymeric matrix with a heat treatment so that the bonding fibers are embedded in the polymeric matrix ,

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein Verbundbauteil, bei dem mindestens ein erster Fügepartner aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner aus einem mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff (Faser-Kunststoff-Verbund: FKV) miteinander verbunden sind. Ein Verbundbauteil kann dabei mehrere Fügepartner aus Metall und/oder Keramik aufweisen, die mit einem oder mehreren Fügepartner(n), der/die aus mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff gebildet ist/sind, verbunden sind. The invention relates to a method for producing a composite component and a composite component, in which at least one first joining partner made of a metallic or ceramic material with a second joining partner of a fiber composite material formed with reinforcing fibers and a polymeric matrix (fiber-plastic composite: FKV) connected are. In this case, a composite component may have a plurality of joining partners made of metal and / or ceramic, which are connected to one or more joining partners, which is / are formed from fiber composite material formed with reinforcing fibers and a polymeric matrix.

Im Rahmen hybrider Mischbauweisen, wie sie beispielsweise im Bereich des Automobilbaus als kraftschlüssige Verbindungen zwischen unterschiedlichen Materialkombinationen angewandt werden, werden belastungsoptimierte Verbindungslösungen gesucht. Unter Berücksichtigung des Leichtbaus nimmt der Einsatz insbesondere endlosfaserverstärkter Kunststoffe immer weiter zu. In the context of hybrid hybrid constructions, such as those used in the field of automotive engineering as frictional connections between different material combinations, load-optimized connection solutions are sought. Taking into account the lightweight construction, the use of continuous fiber reinforced plastics in particular continues to increase.

Diese müssen häufig mit metallischen oder keramischen Bauteilen und Komponenten stoff- und kraftschlüssig verbunden werden. Lasttragendes Element der endlosfaserverstärkten Kunststoffe sind üblicherweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder Basaltfasern. Ziel der Erfindung ist es, eine kraft- bzw. formschlüssige Verbindung zwischen Metall oder Keramik und Verstärkungsfaser zu erzeugen. These must often be material and non-positively connected with metallic or ceramic components and components. Load-bearing element of the continuous fiber reinforced plastics are usually glass fibers, carbon fibers, aramid fibers or basalt fibers. The aim of the invention is to produce a positive or positive connection between metal or ceramic and reinforcing fiber.

Das Verbinden von Metall oder Keramik mit Faserverbundbauteilen erfolgt größtenteils durch mechanische Verbindungstechniken, wie Schrauben, Nieten oder Clinchen. Außerdem kommt das Kleben oder Umspritzen der Fügepartner zum Einsatz. Durch diesen reinen Stoffschluss ist ein hoher Aufwand zu betreiben, um eine gleichmäßige Adhäsion / Haftung der Fügepartner zu gewährleisten. Neuerdings werden bei hybriden Metall-FKV Verbindungen auch die metallischen oder keramischen Fügepartner mit einer Strukturierung versehen, um an der Grenzschicht Metall-FKV eine Kombination aus Stoff- und Formschluss zu realisieren. Beim thermischen Direktfügen werden diese Strukturen mit dem polymeren Bestandteil des FKV aufgefüllt und realisieren damit eine verbesserte Haftung. Damit ist es möglich, stoffschlüssige Verbindungen im Festigkeitsbereich des verwendeten polymeren Werkstoffs zu erreichen. Die Kraftübertragung in die eigentlichen lasttragenden Fasern des FKV erfolgt weiterhin durch den Übergang von polymerer Matrix und lasttragenden Fasern (Faser-Matrix-Haftung). Die Schwachstelle der Verbindung ist damit die polymere Matrix mit den geringsten Festigkeitswerten innerhalb des Materialverbundes. Joining of metal or ceramic to fiber composite components is largely by mechanical joining techniques such as screwing, riveting or clinching. In addition, the gluing or encapsulation of the joining partners is used. By this pure material connection is a high effort to operate in order to ensure a uniform adhesion / adhesion of the joining partners. Recently, in hybrid metal-FKV compounds also the metallic or ceramic joining partners are provided with a structuring in order to realize a combination of material and form-fit at the boundary layer metal-FKV. In thermal direct joining, these structures are filled up with the polymeric component of the FKV and thus realize improved adhesion. This makes it possible to achieve cohesive connections in the strength range of the polymeric material used. The transfer of force into the actual load-bearing fibers of the FKV continues to take place through the transition of polymeric matrix and load-bearing fibers (fiber-matrix adhesion). The weak point of the compound is thus the polymeric matrix with the lowest strength values within the material composite.

Um eine direkte Krafteinleitung von Verstärkungsfaser mit dem Metall zu realisieren, gibt es einen Ansatz, Schlaufen aus Titan-Draht auf einem Werkstoff zu befestigen (Schweißen) und Kohlenstofffasern durch diese Schlaufen hindurchzuführen. In order to realize a direct force introduction of reinforcing fiber with the metal, there is an approach to fasten loops of titanium wire on a material (welding) and pass carbon fibers through these loops.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verbundbauteile zur Verfügung zu stellen, bei denen mindestens ein erster Fügepartner aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner aus einem mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff miteinander verbunden sind, die eine erhöhte Festigkeit und Belastbarkeit erreichen. The object of the invention is to provide composite components in which at least one first joining partner made of a metallic or ceramic material with a second joining partner of a fiber composite material formed with reinforcing fibers and a polymeric matrix are joined, which achieve increased strength and load capacity.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ein Verbundbauteil ist mit Anspruch 9 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden. According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1. A composite component is defined by claim 9. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.

Bei der Herstellung wird so vorgegangen, dass Verbindungsfasern, -fäden oder -drähte (nachfolgend nur noch Verbindungsfasern genannt) an einer Verbindungsstelle bzw. in einem Verbindungsbereich durch Zwischenräume, die zwischen Verstärkungsfasern vorhanden sind, und Durchbrechungen, die in einem ersten Fügepartner ausgebildet sind, mit einem textilen Verfahren hindurchgeführt werden. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung ausgebildet. Zumindest im Verbindungsbereich ist während der Ausbildung der formschlüssigen Verbindung mit den Verbindungsfasern kein die polymere Matrix bildender Werkstoff vorhanden oder es ist zumindest im Verbindungsbereich keine polymere Matrix ausgebildet. Im Anschluss daran wird viskoser polymerer Matrixwerkstoff in den Verbindungsbereich injiziert oder infiltriert. Alternativ dazu können mit einer Wärmebehandlung Fasern aus einem polymeren Werkstoff, die mit den Verstärkungsfasern ein textiles Gebilde als Vorprodukt bilden, zu einer polymeren Matrix umgewandelt werden, so dass die Verbindungsfasern in die polymere Matrix eingebettet werden. Wie auch bei den Verbindungsfasern kann man anstelle von Verstärkungsfasern oder zusätzlich dazu auch Verstärkungsfäden oder -drähte einsetzen. Nachfolgend soll jedoch dafür überwiegend nur der Begriff Verstärkungsfasern genutzt werden. In the production, the procedure is such that connecting fibers, filaments or wires (hereinafter referred to as connecting fibers) at a connection point or in a connection region through gaps which are present between reinforcing fibers, and openings which are formed in a first joining partner, be passed through a textile process. As a result, a positive connection is formed. At least in the connection region, no material forming the polymeric matrix is present during the formation of the positive connection with the connecting fibers, or no polymeric matrix is formed at least in the connection region. Subsequently, viscous polymeric matrix material is injected or infiltrated into the junction region. Alternatively, with a heat treatment, fibers of a polymeric material that form a fabric with the reinforcing fibers as a precursor may be converted to a polymeric matrix so that the tie fibers are embedded in the polymeric matrix. As with the connecting fibers, reinforcing filaments or wires can be used instead of reinforcing fibers or additionally. In the following, however, predominantly only the term reinforcing fibers is to be used.

Für eine verbesserte Materialhaftung und homogeneren Materialverlauf im Bereich des faserverstärkten Kunststoffes können die Verbindungsfasern, wie die Verstärkungsfasern selbst, mit einer Schlichte versehen werden, um eine bessere Benetzbarkeit bei der Matrixinfiltration und eine bessere Haftung zur Matrix im ausgehärteten Zustand zu erreichen. For improved material adhesion and more homogeneous material flow in the area of the fiber-reinforced plastic, the connecting fibers, such as the reinforcing fibers themselves, can be provided with a size for better wettability in the matrix infiltration and to achieve better adhesion to the matrix in the cured state.

Die Ausbildung der polymeren Matrix kann in einem Formwerkzeug, in dem der/die erste Fügepartner und der zweite Fügepartner zumindest im Bereich der Verbindungsstelle angeordnet sind, durchgeführt werden. Dabei kann der polymere Matrixwerkstoff mit geeigneter Viskosität in das Formwerkzeug mit erhöhtem Druck injiziert werden und in Hohlräume zwischen den Verstärkungs- und den Verbindungsfasern sowie ggf. in Durchbrechungen und vorhandene Hohlräume eindringen, so dass sämtliche Fasern im polymeren Matrixwerkstoff nach dessen Erstarren eingebettet sind. Es kann auch zumindest ein Teil eines metallischen oder keramischen Fügepartners stoffschlüssig mit dem polymeren Matrixwerkstoff verbunden werden. The formation of the polymer matrix can be carried out in a molding tool in which the first joining partner and the second joining partner are arranged at least in the region of the connection point. In this case, the polymer matrix material can be injected with suitable viscosity in the mold with increased pressure and penetrate into voids between the reinforcing and the connecting fibers and possibly in openings and existing cavities, so that all the fibers are embedded in the polymeric matrix material after its solidification. It is also possible for at least part of a metallic or ceramic joining partner to be bonded in a material-bonded manner to the polymeric matrix material.

Anstelle des Injizierens von polymerem Matrixwerkstoff kann auch eine Infiltration erfolgen. Dabei sollte im Formwerkzeug ein gegenüber der Umgebung reduzierter Druck eingehalten werden. Instead of injecting polymeric matrix material, infiltration can also take place. In this case, in the mold a reduced pressure compared to the environment should be maintained.

Die Viskosität des polymeren Matrixwerkstoffs kann dabei durch geeignete Temperatur, den Zusatz eines Lösungsmittels oder den Einsatz eines Zweikomponentenpolymers, bei denen eine Komponente ein Härter oder Vernetzer ist, vorteilhaft beeinflusst werden. The viscosity of the polymeric matrix material can be advantageously influenced by suitable temperature, the addition of a solvent or the use of a two-component polymer in which a component is a hardener or crosslinker.

Die polymere Matrix kann ein Thermoplast, ein Elastomer oder ein auf Duromerbasis reagierendes Harzsystem sein. The polymeric matrix may be a thermoplastic, an elastomer or a thermosetting resin system.

Verbindungsfasern können durch Durchbrechungen, die in mindestens einer Reihe angeordnet sind, hindurch geführt werden. Günstiger ist es jedoch, Verbindungsfasern durch Durchbrechungen, die in mehreren Reihen und dabei auch noch versetzt zueinander angeordnet sind, hindurch zu führen. Connecting fibers may be passed through apertures arranged in at least one row. It is cheaper, however, connecting fibers through openings, which are arranged in several rows and thereby still offset from each other to pass through.

Ein zweiter Fügepartner kann ein Geflecht, Gewirk oder Gelege von Verstärkungsfasern sein, die bevorzugt Endlosfasern sein können. A second joining partner may be a braid, knit or scrim of reinforcing fibers, which may preferably be continuous fibers.

Bei der Erfindung kann also eine textiltechnologische Integration (Nähen, Weben, Sticken usw.) von Fäden, Fasern oder Drähten (Glas, Kohlenstoff, Basalt, Aramid, Metall, Keramik) in den Textilverbund vorgenommen werden. Solche Fäden, Fasern oder Drähte können als Verbindungsfasern verwendet und fixieren die Verstärkungsfasern mit einem metallischen oder keramischen Fügepartner. Sie sollen so eine form- bzw. kraftschlüssige Verbindung zwischen den lasttragenden Verstärkungsfasern und einem metallischen oder keramischen Fügepartner herstellen können. Ein metallischer oder keramischer Fügepartner kann dabei z.B. als Blech, Platte, Netz, Geflecht, Folie oder poröser Schaum ausgelegt sein. In diesem Fügepartner können Durchbrechungen insbesondere Bohrungen, Perforationen oder vordefinierte Freiräume vorhanden sein. Beispielsweise bei Metallfolien mit einer Dicke unterhalb 100 µm können diese auch entfallen, wenn bei dem Hindurchführen der Verbindungsfasern jeweils eine Ausbildung einer Durchbrechung erreicht werden kann. Diese Durchbrechungen können für eine Durchführung mindestens einen Verbindungsfaser genutzt werden. Bevorzugt mittels Stick- bzw. Nähtechnologie können diese Durchbrechungen beispielsweise genau angesteuert und der/die Verbindungsfaser(n) hindurchgeführt werden und auf der Unterseite mit einem Unterfaden umschlungen werden. Als Verbindungsfaser können auch mehrere zu einem Faden oder Zwirn verarbeitete Fasern eingesetzt werden. In the invention, therefore, a textile technology integration (sewing, weaving, embroidery, etc.) of threads, fibers or wires (glass, carbon, basalt, aramid, metal, ceramic) can be made in the textile composite. Such threads, fibers or wires can be used as connecting fibers and fix the reinforcing fibers with a metallic or ceramic joining partner. They should be able to produce such a positive or non-positive connection between the load-bearing reinforcing fibers and a metallic or ceramic joining partner. A metallic or ceramic joining partner can in this case e.g. be designed as sheet, plate, mesh, braid, foil or porous foam. In this joining partner perforations in particular holes, perforations or predefined open spaces may be present. For example, in the case of metal foils having a thickness of less than 100 .mu.m, these can also be dispensed with, if in each case a formation of an opening can be achieved when passing through the connecting fibers. These openings can be used to carry out at least one connecting fiber. Preferably, by means of embroidery or stitching technology, these openings can for example be precisely controlled and / the connecting fiber (s) are passed and are wrapped on the bottom with a lower thread. As a connecting fiber and several processed into a thread or twisted fibers can be used.

Die Hybridfügung zum metallischen oder keramischen Fügepartner kann durch den/die Verbindungsfaser(n) selbst oder den mittels textiler Technologie verbundenen metallischen oder keramischen Fügepartner erfolgen. Eine zusätzliche optionale Verbindung zwischen metallischen Fügepartnern kann durch Schweißen, Löten und/oder thermisches Fügen mit Reaktivmultischichten erfolgen. Die Einbringung der Verbindungsfasern erfolgt im textilen Zustand vor der Injektion/Infiltration mit dem polymeren Matrixwerkstoff oder vor dem Konsolidieren von mit Hybridgarn hergestellten textilen Flächenhalbzeugen, das mit Verstärkungsfasern und polymeren Fasern gebildet ist. Durch die bereits erwähnte Wärmebehandlung kann mit den polymeren Fasern, die Bestandteil des FKV sind, die polymere Matrix zumindest teilweise ausgebildet werden. Die Ausbildung der polymeren Matrix kann auch mit polymerem Werkstoff, der in anderer Form als polymere Fasern in einem FKV als Halbzeug, beispielsweise in Form eines Pulvers vorhanden ist, erreicht werden. Die polymere Matrix kann durch eine Konsolidierung eines dazu geeigneten Matrixwerkstoffs erreicht werden. The hybrid joining to the metallic or ceramic joining partner can be effected by the connecting fiber (s) themselves or the metallic or ceramic joining partners connected by means of textile technology. An additional optional connection between metallic joining partners can be made by welding, soldering and / or thermal joining with reactive multilayers. The introduction of the connecting fibers takes place in the textile state before the injection / infiltration with the polymeric matrix material or before the consolidation of semi-finished textile products produced with hybrid yarn, which is formed with reinforcing fibers and polymeric fibers. As a result of the heat treatment already mentioned, the polymeric matrix which forms part of the FKV can be used to at least partially form the polymeric matrix. The formation of the polymeric matrix may also be achieved with polymeric material which is present in a form other than polymeric fibers in a FRP as a semi-finished product, for example in the form of a powder. The polymeric matrix can be achieved by consolidation of a suitable matrix material.

Die Verbindungsfasern sollten dabei vorteilhafterweise unter einem Winkel kleiner 90° in den Lagenaufbau des FKV eingebracht werden und weiterhin besonders vorteilhaft mit den Verstärkungsfasern des FKV textiltechnologisch verbunden sein, um eine möglichst große Fläche zur Krafteinleitung ausnutzen zu können. The connecting fibers should advantageously be introduced at an angle of less than 90 ° in the layer structure of the FKV and continue to be particularly advantageous textile technology connected to the reinforcing fibers of the FKV in order to exploit the largest possible area for the introduction of force can.

Mit Hilfe der Verbindungsfasern kann eine direkte Kraftübertragung zwischen Metall/Keramik und Verstärkungsfasern ermöglicht werden, die höhere Festigkeiten als die polymere Matrix erreichen kann. Durch Verwendung desselben Fasermaterials als Verbindungsfasern, wie es auch als Verstärkungsfaser verwendet wird, können Störstellen im Verbund vermieden werden. Da die Integration der Verbindungsfasern und z.B. eines metallischen Folienwerkstoffes noch im textiltechnologischen Zustand erfolgen kann und die Konsolidierung des polymeren Matrixwerkstoffs des FKV erst anschließend realisiert wird, muss bei der Herstellung des Verbundbauteils der polymere Werkstoff nicht erneut aufgeschmolzen werden. Es können auch Duroplaste mit Metallen oder Keramiken verbunden werden, bei denen ein erneutes Umschmelzen eigentlich nicht möglich ist. By means of the connecting fibers, a direct force transmission between metal / ceramic and reinforcing fibers can be made possible, which can achieve higher strengths than the polymeric matrix. By using the same fiber material as connecting fibers, as it is also used as a reinforcing fiber, defects in the composite can be avoided. Since the integration of the connecting fibers and, for example, a metallic film material can still be done in the textile technological state and the consolidation of the polymeric FKV matrix material is only then realized, the polymer material does not need to be remelted during the production of the composite component. It is also possible to combine thermosets with metals or ceramics in which a renewed remelting is actually not possible.

Die erfindungsgemäßen Verbundbauteile können insbesondere im Leichtbau mit Schwerpunkt Automobilbau, Luftfahrt und Energietechnik eingesetzt werden. The composite components according to the invention can be used in particular in lightweight construction with a focus on automotive, aviation and energy technology.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail by way of example in the following.

Dabei zeigen: Showing:

1 ein Beispiel eines ersten Fügepartners; 1 an example of a first joining partner;

2 den Fügepartner nach 1, der in einem Verbindungsbereich eines zweiten Fügepartners angeordnet ist; 2 the joining partner 1 which is arranged in a connection area of a second joining partner;

3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils und 3 a schematic sectional view through part of an example of a composite component according to the invention and

4 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils mit vier ersten Fügepartnern nach 1, die mit einem zweiten Fügepartner verbunden sind. 4 an example of a composite component according to the invention with four first joining partners after 1 , which are connected to a second joint partner.

In 1 ist ein Beispiel eines plattenförmigen ersten Fügepartners 1 aus Stahl gezeigt. Dabei sind Durchbrechungen 1.1 in fünf Reihen angeordnet, im Fügepartner 1 ausgebildet. Außerdem sind drei weitere Durchbrechungen 1.2 im ersten Fügepartner 1 ausgebildet, die für eine weitere Verbindung oder andere Nutzung des fertigen Verbundbauteils genutzt werden können. In 1 is an example of a plate-shaped first joining partner 1 shown in steel. There are openings 1.1 arranged in five rows, in the joining partner 1 educated. There are also three more openings 1.2 in the first joining partner 1 trained, which can be used for a further connection or other use of the finished composite component.

Bei der Herstellung des Verbundbauteils wird der erste Fügepartner 1 in Bezug zu einem zweiten Fügepartner 4, der bei diesem Beispiel mit Kohlefasern als Verstärkungsfasern 2 gebildet ist, so positioniert, dass die Durchbrechungen 1.1 in Bezug zu einem Verbindungsbereich angeordnet sind. Die weiteren Durchbrechungen 1.2 sind dabei außerhalb des äußeren Randes des zweiten Fügepartners 4 positioniert. In the production of the composite component, the first joining partner 1 in relation to a second joining partner 4 which in this example uses carbon fibers as reinforcing fibers 2 is formed, positioned so that the openings 1.1 are arranged with respect to a connection area. The further breakthroughs 1.2 are outside the outer edge of the second joining partner 4 positioned.

Mit 3 wird deutlich, dass der erste Fügepartner 1 im Verbindungsbereich an zwei Seiten mit Verstärkungsfasern 2 eingeschlossen sein kann. Durch die in mehreren Reihen angeordneten Durchbrechungen 1.1 und Zwischenräume zwischen Verstärkungsfasern 2 werden Verbindungsfasern 3 bei diesem Beispiel mäanderförmig hindurchgeführt, wodurch eine formschlüssige Verbindung der beiden Fügepartner 1 und 4 erreicht werden kann. Verstärkungsfasern 2 sind bei diesem Beispiel in mehreren Lagen und an zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Fügepartners 1 angeordnet. With 3 it becomes clear that the first mating partner 1 in the connection area on two sides with reinforcing fibers 2 can be included. Through the arranged in several rows openings 1.1 and spaces between reinforcing fibers 2 become connecting fibers 3 meandering in this example, whereby a positive connection of the two joining partners 1 and 4 can be achieved. reinforcing fibers 2 are in this example in multiple layers and on two opposite sides of the first joining partner 1 arranged.

Im Anschluss daran wird zumindest im Verbindungsbereich mit einem polymeren Werkstoff eine Matrix gebildet, in der die Verstärkungsfasern 2 und die Verbindungsfasern 3 und der Teil des ersten Fügepartners 1 eingebettet werden, so dass zusätzlich auch eine stoffschlüssige Verbindung erreicht werden kann. Following this, at least in the region of connection with a polymeric material, a matrix is formed in which the reinforcing fibers 2 and the connecting fibers 3 and the part of the first joining partner 1 are embedded, so that in addition a cohesive connection can be achieved.

Zumindest im Verbindungsbereich, wenn in anderen Bereichen eines zweiten Fügepartners 4 bereits eine polymere Matrix in der Verstärkungsfasern 2 eingebettet sind, vorhanden ist, erfolgt durch eine Applikation eines geeigneten polymeren Werkstoffs die Ausbildung einer Matrix, in der die Verstärkungsfasern 2, die Verbindungsfasern 3 eingebettet und ein erster Fügepartner 1 vom Matrixwerkstoff eingefasst ist. At least in the connection area, if in other areas of a second joining partner 4 already a polymeric matrix in the reinforcing fibers 2 are embedded, is carried out by applying a suitable polymeric material forming a matrix in which the reinforcing fibers 2 , the connecting fibers 3 embedded and a first mating partner 1 bordered by the matrix material.

Die 4 zeigt ein Beispiel eines Verbundbauteils bei dem vier erste Fügepartner 1 nach 1 mit einem zweiten Fügepartner 4 aus FKV verbunden sind, und dabei weitere Durchbrechungen 1.2 über den äußeren Rand des zweiten Fügepartners 4 hinausragen, so dass sie für eine Verbindung mit einem anderen Bauteil genutzt werden können. The 4 shows an example of a composite component in the four first joining partner 1 to 1 with a second joining partner 4 from FKV are connected, and thereby further breakthroughs 1.2 over the outer edge of the second joining partner 4 protrude so that they can be used for connection with another component.

Bei klassischer Injektions- und Presstechnik werden die textilen aus Endlosfasern bestehenden Einzellagen der Verstärkungsfasern 2 (Gelege, Gewebe, Gestricke) entsprechend der erforderlichen zu erzielenden Materialdicke in einer Preform aufgeschichtet. Durch Injizieren oder Infiltrieren eines die Matrix des FKV-Fügepartners 4 bildenden Polymers, anschließendes Verpressen und Aushärten kann ein endkonturnahes Verbundbauteil entnommen werden. Im Nachgang werden dann zum Verbinden des FKV-Fügepartners mit der metallischen Gesamtstruktur Bohrungen bzw. Durchbrechungen 1.2 eingebracht. Diese Bohrungen schädigen lokal die mit den Verstärkungsfasern 2 gebildete Faserverbundstruktur. Es kommt zu Delaminationen und das Unterbrechen des Kraftflusses innerhalb des Lagenaufbaus der Verstärkungsfasern. Dürfen keine Bohrungen und Durchbrechungen in die FKV-Struktur eingebracht werden, so können die metallischen Anschraubelemente mit der Oberfläche des Verbundbauteils verklebt werden. Diese rein stoffschlüssige Verbindung ermöglicht keine optimierte Kraftübertragung von den Verstärkungsfasern zum metallischen Gesamtstruktur. In classical injection and pressing technique, the textile individual layers of the reinforcing fibers consisting of continuous fibers become 2 (Scrim, fabric, knitted fabric) piled up in a preform according to the required material thickness to be achieved. By injecting or infiltrating one matrix of the FKV joining partner 4 forming polymer, then pressing and curing, a close-net shape composite component can be removed. Subsequently, for connecting the FKV joining partner with the metallic structure holes or openings 1.2 brought in. These holes locally damage those with the reinforcing fibers 2 formed fiber composite structure. It comes to delamination and the interruption of the power flow within the layer structure of the reinforcing fibers. If no drilled holes and openings can be made in the FRP structure, then the metallic screw-on elements can be glued to the surface of the composite component. This purely cohesive connection does not allow optimized power transmission from the reinforcing fibers to the metallic structure.

Teilweise können auch metallische Inserts während des Injektions- oder Infiltrationsprozesses des polymeren Matrixwerkstoffs mit integriert werden. Das zwischen die Freiräume des Faserverbundes eingedrungene polymere Matrixmaterial umschließt dann das Metall im Stoffschluss und sorgt für die Verbindungsfestigkeit. In some cases, metallic inserts can also be integrated during the injection or infiltration process of the polymeric matrix material. The polymer matrix material which has penetrated between the free spaces of the fiber composite then encloses the metal in the material bond and ensures the bonding strength.

Mit der Erfindung kann neben dem Stoffschluss zwischen der polymeren Matrix und Metall/Keramik auch einen Formschluss über die vorzugsweise metallischen Verbindungsfasern 3 mit der Faserverbundstruktur des zweiten Fügepartners 4 erreicht werden. With the invention, in addition to the material bond between the polymeric matrix and metal / ceramic and a positive connection on the preferably metallic connecting fibers 3 with the fiber composite structure of the second joining partner 4 be achieved.

Um metallische Montageflansche während des Injektions-/Infiltrationsprozesses z.B. einer FKV-Sitzstruktur als zweitem Fügepartner 4 zu integrieren, kann z.B. ein Metallblech als erster Fügepartner 1 im seitlichen Randbereich perforiert worden sein. Oberhalb und unterhalb des Perforationsbereiches werden einzelne Lagen, die mit Verstärkungsfasern 2 gebildet sind, durch Nähen mit Verbindungsfasern 3 ausreichender Festigkeit mit dem Metallflansch als erstem Fügepartner 1 fixiert (3). Diese vorkonfektionierten Verbindungen werden in den Standard-Lagenaufbau integriert, so dass der unperforierte Blechbereich des ersten Fügepartners 1 sich außerhalb der eigentlichen Bauteilform bzw. im Schließbereich des Formwerkzeuges angeordnet werden kann. Das Verbundbauteil wird im Formwerkzeug infiltriert, wobei sowohl die Faserlagen der Verbindung, der Metallflansch und die Verbindungsfasern 3 als auch die unmodifizierten Faserlagen, die neben den Verstärkungsfasern 2 den zweiten Fügepartner 4 bilden, umschlossen werden. To metal mounting flanges during the injection / infiltration process eg a FKV seat structure as the second joint partner 4 To integrate, for example, a metal sheet as the first joining partner 1 be perforated in the lateral edge area. Above and below the Perforationsbereiches individual layers, with reinforcing fibers 2 are formed by sewing with connecting fibers 3 sufficient strength with the metal flange as the first joining partner 1 fixed ( 3 ). These prefabricated connections are integrated into the standard layer structure so that the unperforated sheet metal area of the first joining partner 1 can be arranged outside the actual component form or in the closing region of the molding tool. The composite component is infiltrated in the mold, with both the fiber layers of the compound, the metal flange and the connecting fibers 3 as well as the unmodified fiber layers, in addition to the reinforcing fibers 2 the second joint partner 4 form, be enclosed.

Die Metallflansche als erste Fügepartner 1 können somit sowohl stoff- als auch formschlüssig mit der Faserverbundstruktur als zweitem Fügepartner 4 verbunden werden. The metal flanges as the first joining partner 1 Thus, both material and form-fitting with the fiber composite structure as the second joint partner 4 get connected.

Eine beispielhafte Ausführung der Erfindung als Verbindung zwischen einem Metallwerkstück als erstem Fügepartner 1 mit unebener Oberflächentopographie und einem thermoplastischen faserverstärkten Kunststoff als zweitem Fügepartner 4 kann die Verbindung zwischen dem aus metallischem Werkstoff in Form einer metallischen Folie bzw. ein Blech als ein erster Fügepartner 1 hergestellt werden. Die Verbindungsfasern 3 sollten kraftgerecht in einem Winkel zwischen 20° bis 90° zur Oberfläche einer Ebene in der Verstärkungsfasern 2 des zweiten Fügepartners 4 aus FKV ausgerichtet sein, durch Zwischenräume der Verstärkungsfasern 2 und/oder durch Durchbrechungen 1.1 hindurch geführt werden, um einen entsprechend günstigen Formschluss zu erzielen und die Kraftübertragung über den Verstärkungs- und die Verbindungsfasern 2 und 3 vorteilhaft zu beeinflussen. Die Verbindungsfasern 3 sind im direkten Kontakt mit den lasttragenden Verstärkungsfasern 2 der FKV wodurch die Kraftleitung direkt zwischen Metall und lasttragenden Verstärkungsfasern 2 erfolgt ohne durch die polymere Mittlerschicht des Matrixwerkstoffs mit geringerer Festigkeit geleitet werden zu müssen, was die übertragbaren Lasten der Hybridverbindung materialbedingt reduziert. An exemplary embodiment of the invention as a connection between a metal workpiece as the first joining partner 1 with uneven surface topography and a thermoplastic fiber-reinforced plastic as the second joining partner 4 For example, the connection between the metallic material in the form of a metallic foil or a metal sheet as a first joining partner 1 getting produced. The connecting fibers 3 should be forceful at an angle between 20 ° to 90 ° to the surface of a plane in the reinforcing fibers 2 of the second joining partner 4 be aligned by FKV, by gaps of the reinforcing fibers 2 and / or through openings 1.1 passed through to achieve a correspondingly favorable form fit and the power transmission via the reinforcing and the connecting fibers 2 and 3 beneficial to influence. The connecting fibers 3 are in direct contact with the load-bearing reinforcing fibers 2 the FKV causing the power line directly between metal and load-bearing reinforcing fibers 2 is done without having to be passed through the polymeric middle layer of the matrix material with lower strength, which reduces the transferable loads of the hybrid compound due to the material.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine 2,5 geformte Oberfläche an einem metallischen ersten Fügepartner 1 vorhanden, an die zunächst die trockenen Verstärkungsfasern 2 durch Schweißen fixiert werden. Im trockenen Zustand kann der Verbindungsbereich im Rahmen des zulässigen Biegeradius der Verstärkungsfasern 2 die Metalloberfläche des ersten Fügepartners 1 nachbilden. Die Fixierung der lasttragenden Verstärkungsfasern 2 im trockenen Zustand erfolgt zunächst über die metallischen Verbindungsfasern 3. Abschließend können die trockenen Verstärkungsfasern 2 mit duroplastischem Matrixwerkstoff infiltriert und mit einem weiteren zusätzlichen Fügepartner 4 aus FKV und dem gleichen duroplastischen Matrixwerkstoff verbunden werden. In another embodiment, a 2.5 shaped surface is attached to a metallic first joining partner 1 present, at first the dry reinforcing fibers 2 be fixed by welding. In the dry state, the connection area within the allowable bending radius of the reinforcing fibers 2 the metal surface of the first joining partner 1 replicate. The fixation of the load-bearing reinforcing fibers 2 in the dry state takes place first on the metallic connecting fibers 3 , Finally, the dry reinforcing fibers 2 infiltrated with thermosetting matrix material and with another additional joining partner 4 be made of FKV and the same thermosetting matrix material.

Claims

Process for producing a composite component, in which at least one first joining partner ( 1 ) of a metallic or ceramic material with a second joining partner ( 4 ) of one with reinforcing fibers ( 2 ) and a polymer matrix formed fiber composite material, wherein the connecting fibers ( 3 ) in a connecting region through gaps between reinforcing fibers ( 2 ), and perforations ( 1.1 ) in a first mating partner ( 1 ) are formed, are passed with a textile process and thereby a positive connection is formed, wherein at least in the connection region no polymeric matrix-forming material is present or at least in the connection region no polymeric matrix is formed; and subsequently injecting or infiltrating viscous polymeric matrix material into the joint region or by heat treatment fibers of a polymeric material bonded to the reinforcing fibers ( 2 ) form a textile structure, are converted into a polymeric matrix, so that the connecting fibers ( 3 ) are embedded in the polymeric matrix.

A method according to claim 1, characterized in that the formation of the polymeric matrix in a mold in which the / the first joining partner ( 1 ) and the second joint partner ( 4 ) are arranged at least in the region of the connection point, is performed.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the connection fibers ( 3 ), which in at least one position by knitting, sewing, Weaving, embroidery or braiding with the joining partners ( 1 and 4 ) get connected.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that reinforcing fibers ( 2 ) and / or the connecting fibers, filaments or wires ( 3 ) made of glass, carbon, basalt, aramid, metal or ceramic.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the polymeric matrix is a thermoplastic, an elastomer or a thermosetting resin system.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that connecting fibers ( 3 ) through openings ( 1.1 ), which are arranged in at least one row, are passed therethrough.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that connecting fibers ( 3 ) through openings ( 1.1 ), which are arranged in several rows preferably offset from each other, are guided therethrough.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that connecting fibers ( 3 ) at an angle between 20 ° to 90 ° to the surface of a plane in the reinforcing fibers ( 2 ) of a second joining partner ( 4 ), by gaps of the reinforcing fibers ( 2 ) and / or through openings ( 1.1 ) are passed through.

Composite component in which at least one first joining partner ( 1 ) of a metallic or ceramic material with a second joining partner ( 4 ) of one with reinforcing fibers ( 2 ) and a polymer matrix formed fiber composite material, and thereby connecting fibers ( 3 ) in a connecting region through gaps between reinforcing fibers ( 2 ), and perforations ( 1.1 ) in a first mating partner ( 1 ) are guided through, so that a positive connection is formed, and the reinforcing fibers ( 4 ) as well as the connecting fibers ( 2 ) are embedded in a polymeric matrix.