DE102017201507A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das mit einem Faserverbundwerk-stoff gebildet ist - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das mit einem Faserverbundwerk-stoff gebildet ist Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das mit einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, wobei das Bauteil an einer Oberfläche nachfolgend mit einer Schicht aus einem anderen Werkstoff, insbesondere mit einer Haftvermittlerschicht versehen werden soll. Dabei wird eine Oberfläche eines Substrates (1), das mit einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, bei dem Fasern (2) in eine mit einem Polymer gebildete Matrix eingebettet sind, mit mindestens einem Laserstrahl so bestrahlt, dass ein Werkstoffabtrag des die Matrix bildenden Polymers erreicht wird, bei dem die bestrahlte Oberfläche aufgeraut und Fasern (2), die in einem oberflächennahen Bereich der bestrahlten Oberfläche des Substrats (1) angeordnet sind, freigelegt werden. Anschließend wird eine Schicht oder eine Haftvermittlerschicht (3) durch ein thermisches Beschichtungsverfahren auf dieser Oberfläche des Substrats (1) ausgebildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Halbzeuges, das mit einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, und das anschließend mit einer Schicht aus einem anderen Werkstoff, insbesondere einer Haftvermittlerschicht und ggf. einer weiteren bevorzugt metallischen Beschichtung versehen werden kann. Für die Herstellung des Bauteils kann ein Substrat eingesetzt werden, das mit einem herkömmlichen Faserverbundwerkstoff gebildet ist, bei dem Fasern in eine aus einem polymeren Werkstoff gebildete Matrix eingebettet sind. Bei den Fasern kann es sich insbesondere um Glas-, Kohlenstoff-, Keramik- und/oder Metallfasern handeln. Die Fasern können in Form eines textilen Gebildes in der polymeren Matrix eingebettet sein. Textile Gebilde können beispielsweise in Form eines Vlieses, Gewebes, Gewirkes, Gestrickes oder Geleges eingesetzt sein.
  • Die Beschichtung von polymerbasiertem Faserverbundwerkstoff mit einer insbesondere metallischen Haftvermittlerschicht mittels thermischem Spritzen ist problematisch bzgl. der Adhäsion beider Fügepartner. Es treten mechanische Eigenspannungen bereits in einer thermisch gespritzten Haftvermittlerschicht aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten beider Fügepartner und der geringen thermischen Leitfähigkeit des mit dem Faserverbundwerkstoff gebildeten Substrates (Wärmestau) auf. Diese führen u. U. zum zumindest teilweisen Ablösen der Haftvermittlerschicht (Delamination) von der beschichteten Oberfläche des Substrats. Dabei wirkt sich insbesondere die bei Faserverbundwerkstoffen sehr geringe thermische Leitfähigkeit des für die Matrix eingesetzten Polymers nachteilig aus. Dadurch kann das Substrat durch den heißen Beschichtungswerkstoff, der für die Ausbildung beim thermischen Spritzen eingesetzt wird, thermisch geschädigt werden.
  • Eine Vorbehandlung des Substrates wird bisher üblicherweise durch mechanisches Strahlen, speziell mit Aluminium- oder Korundkörpern durchgeführt, um die jeweilige Oberfläche anzurauen. Dadurch kann aber kein definierter Abtrag an der so bestrahlten Oberfläche erfolgen. Es kommt zur Zerstörung von Fasern. Außerdem verhindert ein Aufstellen von Fasern u.U. die Anbindung der nachfolgend durch thermisches Spritzen ausgebildeten Haftvermittlerschicht an einer so behandelten Oberfläche eines Substrates.
  • Es ist auch bekannt, eine chemische Vorbehandlung bzw. ein Ätzen zur Oberflächenreinigung und -aktivierung einzusetzen. Dies ist aber umweltschädigend und es sind spezielle Arbeitsschutzmaßnahmen notwendig.
  • Bei bisher durchgeführten thermischen Vorbehandlungen unter Anwendung von Plasmaflammen, soll ebenfalls ein Anrauen der jeweiligen Oberfläche und eine erhöhte Oberflächenenergie dort erreicht werden. Dabei besteht aber die Gefahr der thermischen Schädigung des Substrates und es kann nur eine sehr geringe Vergrößerung der für die Haftung der Haftvermittlerschicht nutzbaren Oberfläche erreicht werden.
  • Bei Verwendung einer mechanischen Pufferschicht (Mehrlagenaufbau) als Haftvermittlerschicht zur Steigerung der mechanischen Verklammerung der thermisch gespritzten Haftvermittlerschicht entstehen durch das erforderliche Zusatzmaterial erhöhte Kosten. Außerdem erhöht sich die Eigenmasse.
  • Es gibt auch Versuche durch Einbringen von metallischen Partikeln oder Drähten bzw. Geflechten in die Decklage eines Substrates, um eine verbesserte Verklammerung der gespritzten Haftvermittlerschicht sowie eine erhöhte thermische Leitfähigkeit zu erreichen. Dadurch erhöht sich ebenfalls die Masse aufgrund der eingebrachten metallischen Zusatzwerkstoffe. Außerdem ist die Herstellung aufwändig und mit erhöhten Kosten verbunden.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften einer Oberfläche eines Substrates, das mit einem Faserverstärkten Verbundwerkstoff gebildet ist, zur Verbesserung der Haftung einer durch thermisches Spritzen nach der Oberflächenbehandlung aufgebrachten Schicht, insbesondere einer Haftvermittlerschicht, anzugeben, die einen erträglichen Aufwand hervorrufen und die Herstellungskosten nicht erheblich erhöhen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
  • Das mit einem Faserverbundwerkstoff gebildete und als Bauteil bzw. Halbzeug an einer Oberfläche nachfolgend mit einer Schicht aus einem anderen Werkstoff, insbesondere mit einer Haftvermittlerschicht versehen werden soll, wird an einer Oberfläche eines Substrates, das mit einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, bei dem Fasern in eine mit einem Polymer gebildete Matrix eingebettet sind, mit mindestens einem Laserstrahl so bestrahlt, dass ein Werkstoffabtrag des die Matrix bildenden Polymers erreicht wird, bei dem die bestrahlte Oberfläche aufgeraut und Fasern, die in einem oberflächennahen Bereich der bestrahlten Oberfläche des Substrats angeordnet sind, freigelegt werden. Anschließend wird eine Schicht durch ein thermisches Beschichtungsverfahren, insbesondere durch thermisches Spritzen auf dieser Oberfläche des Substrats ausgebildet. Bei einer auf der jeweiligen Oberfläche so ausgebildeten Schicht/Haftvermittlerschicht wird also kein Verbundwerkstoff eingesetzt.
  • Soll auf eine Oberfläche eines Substrats lediglich eine Haftvermittlerschicht aufgebracht werden, kann man von der Herstellung eines Halbzeugs sprechen. Wird auf eine Oberfläche eines Substrats eine Schicht aus einem anderen Werkstoff oder auf die Oberfläche einer Haftvermittlerschicht eine weitere Schicht ausgebildet, kann man von der Herstellung eines Bauteils sprechen.
  • Der Werkstoffabtrag soll durch im die Matrix bildenden Polymer erfolgter Absorption von Laserstrahlungsenergie erfolgen und dabei vorteilhaft kein oder ein maximaler Werkstoffabtrag an Fasern von maximal 5 % auftreten.
  • Günstig ist es, wenn Fasern durch den Energieeintrag zu mindestens 30 % ihrer Oberfläche frei gelegt werden. Dementsprechend sollten mindestens 30 % der Oberflächen freigelegter Fasern mit dem die Haftvermittlerschicht bildenden Werkstoff unmittelbar beschichtet werden können.
  • Eine Schicht/Haftvermittlerschicht sollte bevorzugt als vollständig geschlossene dichte Schicht beim thermischen Spritzen ausgebildet werden.
  • Zumindest einige der Fasern oder Teilbereiche von Fasern sollten so frei gelegt werden, dass Werkstoff der Schicht/Haftvermittlerschicht in Hinterschneidungen, die an diesen Fasern oder Teilbereiche von Fasern ausgebildet worden sind, nach dem thermischen Spritzen zumindest teilweise ausfüllt. Dabei können Teilbereiche entlang der Längsachse oder der neutralen Faser einer Faser im Faserverbundwerkstoff eine Hinterschneidung aufweisen. Zwischen Teilbereichen können Bereiche vorhanden sein, in denen keine Hinterschneidung ausgebildet ist und in denen lediglich eine Freilegung eines Teiles der Oberfläche der jeweiligen Faser erreicht worden ist.
  • Es kann ein Substrat eingesetzt werden, das mit Fasern aus Glas, Kohlenstoff, Metall, Basalt und/oder Keramik verstärkt worden ist.
  • Als die Matrix bildendes Polymer kann ein Duroplast, insbesondere ein Epoxidharz, ein Thermoplast, insbesondere Polyamid, Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol oder Polyetheretherketon als weiteres geeignetes Polymer eingesetzt werden.
  • Es kann ein metallischer oder keramischer Werkstoff, mit dem durch thermisches Spritzen die Schicht/Haftvermittlerschicht ausgebildet wird, eingesetzt werden.
  • Vorteilhaft ist es, wenn Laserstrahlung eingesetzt wird, deren Wellenlänge vom jeweiligen Faserwerkstoff nicht oder mit maximal 5 % absorbiert und vom die Matrix bildenden Polymer zu mindestens 50 % absorbiert wird. dadurch kann ein unerwünschter Abtrag von Faserwerkstoff vermieden, zumindest jedoch auf ein erträgliches Maß reduziert und ein ausreichend großer Werkstoffabtrag am polymeren Werkstoff, der die Matrix bildet, und eine ausreichende Freilegung von Oberflächen von vorab in das Polymer eingebetteten Fasern erreicht werden.
  • Der Brennfleck des mindestens einen Laserstrahls sollte so bewegt und/oder der Laserstrahl so betrieben werden, dass Oberflächenbereiche des Substrates in denen Fasern angeordnet sind, nicht oder mit maximal 10 % der Leistung, mit denen Oberfläche bestrahlt werden, in denen keine Fasern angeordnet sind, bestrahlt werden. Dies kann mit einer geeigneten Vorschubbewegung des Brennflecks, die beispielsweise durch zweidimensionale Auslenkung des Laserstrahls mit Hilfe eines Scannerspiegels bewirkt werden kann, erreicht werden.
  • Der mindestens eine Laserstrahl kann dazu auch gepulst betrieben werden, wobei die Pulsung bevorzugt so gewählt wird, dass Oberflächenbereiche des Substrates in denen Fasern angeordnet sind, nicht oder mit maximal 10 % der Leistung, mit denen Oberflächenbereiche bestrahlt werden, in denen keine Fasern angeordnet sind, bestrahlt werden.
  • Dies kann relativ leicht erfolgen, da die Anordnung von Fasern in Faserverbundwerkstoffen in der Regel regelmäßig gewählt worden ist, und es daher sogar möglich ist, die Bewegung des Brennflecks und den Betrieb des Laserstrahls unter Berücksichtigung der bekannten Anordnung und Ausrichtung von Fasern zu steuern. Es können auch die Positionen von Knoten, die mit mehreren Fasern gebildet sind, erkannt und für eine geregelte Steuerung der Bewegung und der Betriebsparameter (Leistung, Pulsdauer, Pulsfrequenz) genutzt werden.
  • Es können auch mehrere Laserstrahlen, bevorzugt Teilstrahlen eines Laserstrahls parallel zueinander bewegt und für den Abtrag von die Matrix des Substrates bildenden polymeren Werkstoffs genutzt werden. Ein Laserstrahl kann mittels Strahlteilung in mehrere Laserstrahlen aufgeteilt werden.
  • Allein oder zusätzlich dazu kann mindestens ein Laserstrahl in Längsachsrichtung von im polymeren Matrixwerkstoff eingebetteten mit der absorbierten Laserenergie frei zu legenden Fasern mit seinem Brennfleck neben und in einem Abstand zu diesen Fasern bewegt werden, um eine unerwünschte Beeinflussung oder einen unerwünschten Abtrag von Faserwerkstoff zu vermeiden.
  • Der durch Energieeintrag mittels mindestens eines Laserstrahls sollte also an der jeweiligen Oberfläche lokal definiert erfolgen.
  • Mit der Erfindung kann für eine nachfolgend zu diesem Verfahrensschritt durch thermisches Spritzen auf die jeweilige Oberfläche aufgebrachte Schicht/Haftvermittlerschicht sowohl eine bessere Anbindung, aufgrund der dabei erreichten vergrößerten Oberfläche, die Vermeidung bzw. zumindest die Reduzierung von mechanischen Eigenspannungen durch die durch das Freilegen von Fasern erreichte erhöhte verbesserte thermische Leitfähigkeit in das Substratmaterial erreicht werden. Dabei kann ausgenutzt werden, dass die Fasern eine höhere thermische Leitfähigkeit, als das jeweilige die Matrix bildende Polymer aufweisen können.
  • Durch ein schädigungsfreies Freilegen von Fasern kann die Wärme des thermisch gespritzten Werkstoffs, mit dem die Schicht/Haftvermittlerschicht ausgebildet wird, über die Fasern in den Faserverbundwerkstoff besser weitergeleitet werden. Dadurch kann die Wärme von der Schicht/Haftvermittlerschicht während des thermischen Spritzens und auch kurz danach auf das Substrat übertragen werden. Die Temperaturdifferenz zwischen der Schicht/Haftvermittlerschicht und Substrat sinkt und die thermische Ausdehnung von Schicht/Haftvermittlerschicht und Substrat nähern sich gegenseitig an. Somit können mechanische Eigenspannungen im Bereich der Grenzschicht zwischen Schicht/Haftvermittlerschicht und Substratmaterial verringert werden.
  • Eine verbesserte Haftung der thermisch gespritzten Schicht/Haftvermittlerschicht auf der jeweiligen Oberfläche des vorbehandelten Substrats kann durch Vergrößerung der wirksamen Oberfläche mittels der vorab durchgeführten Laserstrukturierung erreicht werden. Das teilweise Freilegen von Oberflächen von Fasern, die das Verstärkungsmaterial des Faserverbundwerkstoffs bilden, durch die Laserstrahlung führt auch zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit über die Fasern und erhöht die mechanische Verklammerung (Schicht-/Haftvermittlerschichtwerktstoff „umgreift“ einzelne Fasern oder Faserbündel), wodurch auch eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden kann.
  • Es kann auch eine Strukturierung an der jeweiligen Oberfläche eines Substrates in Form von Inselstrukturen, Schraffuren, einer vorgebbaren Rauheit sowie die Ausbildung von Hinterschneidungen an Fasern zur Vergrößerung der wirksamen Oberfläche ausgebildet werden. Dadurch kann eine verbesserte mechanische Verklammerung von Werkstoff der Schicht/Haftvermittlerschicht an derjeweiligen Oberfläche eines Substrates, insbesondere in Bereichen in denen Fasern mittels der eingesetzten Laserstrahlung vom Matrixwerkstoff frei gelegt worden sind, und insbesondere ein verbesserter Formschluss erreicht werden.
  • Die erhöhte thermische Leitung sorgt dafür, dass die mit dem thermisch gespritzten Werkstoff, mit dem die Schicht/Haftvermittlerschicht gebildet wird, eingebrachte Wärme besser und dabei insbesondere homogener in das Substratmaterial geleitet werden kann und die polymere Matrix eine geringere thermische Schädigung erfährt. Dadurch werden außerdem die mechanischen Eigenspannungen zwischen Substratmaterial und dem Werkstoff der Schicht/Haftvermittlerschicht reduziert. Darüberhinaus kann die Dauerfestigkeit positiv beeinflusst werden.
  • Der Formschluss zwischen dem thermisch aufgespritzten Werkstoff für die Schicht/Haftvermittlerschicht und Substratmaterial, insbesondere den Fasern, bietet zusätzliche Haftfestigkeit und steigert die thermische Leitfähigkeit.
  • Mit dem erfindungsgemäß vorzunehmenden lokal definierten Werkstoffabtrag, der allein durch mittels Laserstrahlung eingebrachter Energie erreicht werden kann, kann ein schädigungsfreies, zumindest nahezu vollkommen schädigungsfreies Freilegen von zumindest Teilbereichen von Fasern des Substratmaterials erreicht werden, was mit anderen Verfahren, wie z.B. einem Prägen, einer spanenden Bearbeitung oder anderen mechanischen oder chemischen Werkstoffabtragsverfahren nicht möglich ist.
  • Bei Einsatz von Laserstrahlung für den lokal definierten Materialabtrag an einer jeweiligen Oberfläche eines Substrates kann eine geometrisch bestimmte Oberflächenstruktur ausgebildet werden. Die teilweise freigelegten Fasern werden weder zerstört, noch wird ihre Ausrichtung verändert, so dass sie ihre Verstärkungseigenschaften wenn überhaupt nur unwesentlich verlieren. Insbesondere eine Ausrichtung nach oben von der Oberfläche weg, kann vermieden werden, die eine Anbindung weiterer Schichten, insbesondere wegen möglicherweise auftretenden Abschattungen ver- oder behindern würde.
  • Die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile/Halbzeuge können nach der Ausbildung der Schicht/Haftvermittlerschicht, durch den Auftrag mindestens einer weiteren Funktions- oder Schutzschicht, bspw. zu Druckerwalzen, Elementen für Carbonbremsen oder Turbinenschaufeln weiter verarbeitet werden.
  • Je nach vorliegendem Matrixmaterial (Art und Absorptionsvermögen für die eingesetzte Laserstrahlung) und nach den das Verstärkungsmaterial bildenden Fasern (Art, Anordnung) des Substratmaterials, das ein Faserverbundwerkstoff sein soll, kann man die Parameter mit denen die Laserstrahlung auf die jeweilige Oberfläche des aus dem Faserverbundwerkstoff gebildeten Substrates wählen. Es kann dabei mindestens ein Laserstrahl eingesetzt werden, der gepulst mit Pulslängen im Bereich µs bis fs und einer Wellenlänge im Bereich 248 nm < λ < 10,6µm betrieben werden kann.
  • Im Falle einer Verstärkung, die mit Glasfasern gebildet ist, besteht der physikalische Vorteil, dass die meisten Wellenlängen einer Laserstrahlung nicht oder nur geringfügig vom Glasfaserwerkstoff absorbiert werden. Bei Substraten, die mit Glasfasern gebildet sind, ist eine lokal definierte Führung und Bewegung des Brennflecks eines auf die jeweilige Oberfläche des Substrates gerichteten Laserstrahls nicht zwingend geboten und daher nicht zwingend erforderlich.
  • Bei einer Verstärkung die mit Kohlenstofffasern gebildet ist, sollte jedoch eine lokal definierte Anordnung und Bewegung des Brennflecks eines Laserstrahls bevorzugt werden, so dass der Brennfleck des jeweiligen Laserstrahls möglichst generell auf Oberflächenbereiche des Substrates gerichtet wird, in denen möglichst keine Fasern aus Kohlenstoff angeordnet sind. Insbesondere bei Einsatz von Kohlenstofffasern bietet es sich auch an, die Leistung der Laserstrahlung bzw. die Leistungsdichte im jeweiligen Brennfleck klein zu wählen.
  • Bei Fasern aus Metall oder Keramik kann man Laserstrahlung mit einer Wellenlänge wählen, die vom die Matrix bildenden Polymer um ein Mehrfaches absorbiert wird, als dies bei dem jeweiligen Metall- oder Keramikwerkstoff, mit dem die Fasern gebildet sind, der Fall ist. Wird die gewählte Laserstrahlung vom jeweiligen Faserwerkstoff erheblich weniger absorbiert, kann auf eine sehr genaue Positionierung eines Brennflecks eines gewählten Laserstrahls in Bezug zur Anordnung von Fasern verzichtet werden, da mit der vom Laserstrahl eingebrachten Energie im Wesentlichen, also zu einem sehr viel größeren Anteil, ausschließlich ein Abtrag von Polymer erreicht wird und die Fasern lediglich aus der Matrix freigelegt werden.
  • Darüber hinaus ist es möglich, unterschiedliche Absorptionskoeffizienten der Fasern und des die Matrix bildenden Polymers für die eingesetzte Laserstrahlung zu nutzen und die gesamte Substratoberfläche mit dem Brennfleck von mindestens einem gepulsten Laserstrahl zu bestrahlen.
  • Mit ausreichend hohen Pulsenergien der eingesetzten Laserstrahlung im Brennfleck eines Laserstrahles ist es trotzdem möglich, beide Werkstoffarten abzutragen bzw. zu schädigen. Die Laserleistung sollte dabei so angepasst sein, dass der Laserstrahl ausschließlich das Polymer, das die Matrix bildet, abträgt und die die Verstärkung bildenden Fasern nicht geschädigt werden. Je nach vorliegender Verstärkungsstruktur, die mit einem textilen Gebilde, das z.B. ein Vlies, Gewebe oder Gelege sein kann, kann die Anzahl der Prozesszyklen, mit denen ein Brennfleck eine Position der jeweiligen Oberfläche eines Substrates überstreicht, so gewählt werden, dass der gewünschte Werkstoffabtrag an der jeweiligen Oberfläche des Substrates erreicht werden kann. Insbesondere im Falle eines Vlieses liegen einzelne Fasern sehr oberflächennah und können bereits mit 1 bis 3 Zyklen freigelegt werden. Bei Gewebe werden während der ersten Überfahrt die oberflächennahen Fasern freigelegt, sodass (bis zu 30) weitere Prozesszyklen benötigt werden können, um eine flächige ausreichende Matrixwerkstoffentfernung mit einer ausreichenden Freilegung von Fasern zu realisieren.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielshaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigt:
    • 1 in schematischer Form eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Halbzeugs.
  • Die schädigungsfreie Faserfreilegung von kohlefaserverstärktem Epoxidharz als Werkstoff für ein Substrat 1 wird bspw. mit einem gepulst betriebenen Laserstrahl der Wellenlänge 330 nm - 380 nm und Nanosekunden-Pulsen (10 ns bis 50 ns) realisiert. Zur Strahlablenkung wird ein Galvanometerscanner mit Planfeldoptik (Brennweite 163 mm) verwendet. Der Laserstrahl wird mit seinem Brennfleck dabei in Form paralleler, sich leicht überlappender Linien über die jeweilige Oberfläche des Substratmaterials bewegt, bis der zu strukturierende und/oder freizulegende Oberflächenbereich vollständig bearbeitet wurde. Dies entspricht einer Schraffur des freizulegenden Oberflächenbereichs. Es sind nur sehr wenige (1-5) Prozesszyklen notwendig, um oberflächig Fasern 2 freizulegen. Für eine flächige Entfernung von Polymer des Substratmaterials sind bis zu 30 Überfahrten des Brennflecks nötig. Unabhängig von der Faserausrichtung ist eine Schraffur mit sich kreuzenden Linien besonders geeignet, um ein gleichmäßiges Abtragsbild umzusetzen. Da die LaserParameter geometrieabhängig sind, gelten diese Angaben lediglich für eine Bearbeitungsfläche für ein Quadrat von rund 5 mm bis 30 mm Kantenlänge. So kann beispielsweise eine Laserleistung von 2 Watt bis 10 Watt bei einer Vorschubgeschwindigkeit des Brennflecks eines Laserstrahls von 600 mm/s bis 1200 mm/s genutzt werden. Der Brennfleck kann dabei einen Durchmesser von 25 µm und/oder mit einer Leistung im Bereich 400 MW/cm2 bis 2500 MW/cm2 betrieben werden.
  • Bei dem so behandelten Substrat 1 handelte es sich um einen Faserverbundwerkstoff, der mit Epoxidharz als Polymer für die Matrix und mit Kohlenstofffasern mit einem Außendurchmesser von 7 mm hergestellt worden war.
  • Das Aufbringen der Haftvermittlerschicht 3 wird i.d.R. durch Elektronenstrahl-Spritzen mit einer oder mehreren übereinander ausgebildeten Lagen realisiert. Treffen die Spritzpartikel auf die jeweilige strukturierte Oberfläche des Substrats 1, so geben Sie die Wärme direkt in die freigelegten Fasern 2 ab, die eine vielfach höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen, als der polymere Matrixwerkstoff des Substrats 1. Die tropfenförmigen Spritzpartikel, auch „Splats“ genannt, legen sich beim Aufprall auf die teilweise vom polymeren Matrixmaterial freigelegte Oberfläche des Substrats 1 um die einzelnen vorab teilweise freigelegten Fasern 2 und Faserbündel herum und erstarren. Dadurch entstehen Hinterschnitte (Hinterschneidungen), die zu einer besseren mechanischen Verklammerung im Vergleich zu einem nicht laservorbehandelten Substrat führen. Die Haftvermittlerschicht wurde mit einer Nickel-Chromlegierung, in der der Anteil an Nickel größer als der Anteil von Chrom gewählt worden ist, als einem geeigneten metallischen Werkstoff ausgebildet.
  • Auf diese Haftvermittlerschicht kann wiederum eine metallische oder keramische Schicht, bevorzugt aus Aluminiumoxid mittels Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen aufgespritzt werden. Mit der aufgespritzten Keramik- oder ggf. einer Metallschicht kann dann ein Bauteil erhalten werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das mit einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, wobei das Bauteil an einer Oberfläche nachfolgend mit einer Schicht aus einem anderen Werkstoff, insbesondere mit einer Haftvermittlerschicht versehen werden soll, bei dem eine Oberfläche eines Substrates (1), das mit einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, bei dem Fasern (2) in eine mit einem Polymer gebildete Matrix eingebettet sind, mit mindestens einem Laserstrahl so bestrahlt wird, dass ein Werkstoffabtrag des die Matrix bildenden Polymers erreicht wird, bei dem die bestrahlte Oberfläche aufgeraut und Fasern (2), die in einem oberflächennahen Bereich der bestrahlten Oberfläche des Substrats (1) angeordnet sind, freigelegt werden, und anschließend eine Schicht oder eine Haftvermittlerschicht (3) durch ein thermisches Beschichtungsverfahren auf dieser Oberfläche des Substrats (1) ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffabtrag durch im die Matrix bildenden Polymer erfolgter Absorption von Laserstrahlungsenergie erfolgt und dabei kein oder ein maximaler Werkstoffabtrag an Fasern (2) von maximal 5 % auftritt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern (2) durch den Energieeintrag zu mindestens 30 % ihrer Oberfläche frei gelegt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Fasern (2) oder Teilbereiche von Fasern (2) so frei gelegt werden, dass Werkstoff der Schicht, insbesondere der Haftvermittlerschicht (3) in Hinterschneidungen, die an diesen Fasern (2) oder Teilbereiche von Fasern (2) ausgebildet worden sind, zumindest teilweise ausfüllt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (1) eingesetzt wird, das mit Fasern (2) aus Glas, Kohlenstoff, Basalt, Metall und/oder Keramik und/oder als die Matrix bildendes Polymer ein Epoxidharz, insbesondere Bisphenol-basierte Epoxid-Harze, ein Thermoplast, insbesondere Polyamid, Polypropylene , Polyethylen, Polystyrol oder Polyetheretherketon als weiteres Polymer und/oder ein metallischer oder keramischer Werkstoff insbesondere durch thermisches Spritzen zur Ausbildung der Schicht, insbesondere der Haftvermittlerschicht (3) eingesetzt wird/werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Laserstrahlung eingesetzt wird, deren Wellenlänge vom jeweiligen Faserwerkstoff nicht oder mit maximal 5 % absorbiert und vom die Matrix bildenden Polymer zu mindestens 50 % absorbiert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Substratoberfläche mit dem Brennfleck von mindestens einem bevorzugt gepulst betriebenen Laserstrahl bestrahlt und dabei unterschiedliche Absorptionskoeffizienten der Fasern (2) und des die Matrix bildenden Polymers der eingesetzten Laserstrahlung genutzt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennfleck des mindestens einen Laserstrahls so bewegt und/oder der Laserstrahl so betrieben wird, dass Oberflächenbereiche des Substrates (1) in denen Fasern (2) angeordnet sind, nicht oder mit maximal 10 % der Leistung, mit denen Oberfläche bestrahlt werden, in denen keine Fasern (2) angeordnet sind, bestrahlt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Laserstrahl gepulst betrieben wird, wobei die Pulsung bevorzugt so gewählt wird, dass Oberflächenbereiche des Substrates (1) in denen Fasern (2) angeordnet sind, nicht oder mit maximal 10 % der Leistung, mit denen Oberflächenbereiche bestrahlt werden, in denen keine Fasern (2) angeordnet sind, bestrahlt werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserstrahlen, bevorzugt Teilstrahlen eines Laserstrahls parallel zueinander und/oder mindestens ein Laserstrahl in Längsachsrichtung von im polymeren Matrixwerkstoff eingebetteten mit der absorbierten Laserenergie frei zu legenden Fasern (2) mit seinem Brennfleck neben und in einem Abstand zu diesen Fasern (2) bewegt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strukturierung an der jeweiligen Oberfläche eines Substrates (1), insbesondere in Form von Inselstrukturen, Schraffuren, einer vorgebbaren Rauheit sowie die Ausbildung von Hinterschneidungen an Fasern (2) zur Vergrößerung der wirksamen Oberfläche ausgebildet wird.
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