DE102017201507A1

DE102017201507A1 - A method of manufacturing a component formed with a fiber composite

Info

Publication number: DE102017201507A1
Application number: DE102017201507.1A
Authority: DE
Inventors: Jana Gebauer; Volker Franke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2018-08-02

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.The invention relates to a method for producing a component which is formed with a fiber composite material, wherein the component is to be provided on a surface subsequently with a layer of another material, in particular with a bonding agent layer. In this case, a surface of a substrate (1), which is formed with a fiber composite material in which fibers (2) are embedded in a matrix formed with a polymer, irradiated with at least one laser beam so that a material removal of the polymer forming the matrix is achieved in which the irradiated surface is roughened and fibers (2) arranged in a near-surface region of the irradiated surface of the substrate (1) are exposed. Subsequently, a layer or an adhesion promoter layer (3) is formed by a thermal coating process on this surface of the substrate (1).

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.The invention relates to a method for producing a component, in particular a semifinished product, which is formed with a fiber composite material, and which can then be provided with a layer of another material, in particular a primer layer and optionally a further preferably metallic coating. For the manufacture of the component, it is possible to use a substrate which is formed with a conventional fiber composite material in which fibers are embedded in a matrix formed of a polymeric material. The fibers may in particular be glass, carbon, ceramic and / or metal fibers. The fibers may be embedded in the form of a textile structure in the polymeric matrix. Textile structures may be used, for example, in the form of a nonwoven, woven, knitted, knitted or laid fabric.

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.The coating of polymer-based fiber composite material with a particular metallic adhesion promoter layer by means of thermal spraying is problematic with respect to the adhesion of both joining partners. There are mechanical stresses already in a thermally sprayed bonding agent layer due to different thermal expansion coefficients of both joining partners and the low thermal conductivity of the substrate formed with the fiber composite material (heat accumulation). These lead u. U. for at least partial detachment of the primer layer (delamination) of the coated surface of the substrate. In particular, the very low thermal conductivity of the polymer used for the matrix in the case of fiber composites has a disadvantageous effect. As a result, the substrate can be thermally damaged by the hot coating material used for thermal spray formation.

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.A pretreatment of the substrate is usually carried out by mechanical blasting, especially with aluminum or Korundkörpern to roughen the respective surface. As a result, however, no defined removal of the thus irradiated surface can take place. It comes to the destruction of fibers. In addition, setting up fibers u.U. the connection of the subsequently formed by thermal spraying adhesion promoter layer on a thus treated surface of a substrate.

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.It is also known to use a chemical pretreatment or etching for surface cleaning and activation. However, this is harmful to the environment and special occupational safety measures are necessary.

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.In previously performed thermal pretreatments using plasma flame, a roughening of the respective surface and an increased surface energy should also be achieved there. However, there is a risk of thermal damage to the substrate and it can only be achieved a very small increase in the useful for the adhesion of the adhesive layer surface.

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.When using a mechanical buffer layer (multi-layer structure) as a primer layer to increase the mechanical clamping of the thermally sprayed adhesive layer caused by the required additional material increased costs. In addition, the net mass increases.

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.There are also attempts by introducing metallic particles or wires or braids in the cover layer of a substrate in order to achieve improved adhesion of the sprayed adhesion promoter layer and increased thermal conductivity. This also increases the mass due to the introduced metallic filler materials. In addition, the production is complex and associated with increased costs.

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.It is therefore an object of the invention to provide possibilities for influencing the surface properties of a surface of a substrate which is formed with a fiber-reinforced composite material for improving the adhesion of a spray applied by thermal spraying after the surface treatment layer, in particular a primer layer, the endurable effort cause a significant increase in production costs.

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.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.

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.The formed with a fiber composite material and is to be provided as a component or semifinished product on a surface subsequently with a layer of another material, in particular with a primer layer, is at a surface of a substrate, which is formed with a fiber composite material in the fibers in a embedded with a polymer matrix are irradiated with at least one laser beam so that a material removal of the polymer forming the matrix is achieved, in which the irradiated surface roughened and fibers which are arranged in a near-surface region of the irradiated surface of the substrate are exposed , Subsequently, a layer by a thermal Coating process, in particular formed by thermal spraying on this surface of the substrate. In the case of a layer / adhesion promoter layer thus formed on the respective surface, therefore, no composite material is used.

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.If only a primer layer is to be applied to a surface of a substrate, one can speak of the production of a semifinished product. If a layer of another material is formed on a surface of a substrate or a further layer is formed on the surface of a primer layer, one can speak of the production of a component.

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.The removal of material should take place by absorption of laser radiation energy carried out in the matrix-forming polymer, and advantageously no or maximum material removal of fibers of up to 5% should occur.

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.It is favorable if fibers are exposed by the energy input to at least 30% of their surface. Accordingly, at least 30% of the surfaces of exposed fibers should be directly coated with the adhesive layer forming material.

Eine Schicht/Haftvermittlerschicht sollte bevorzugt als vollständig geschlossene dichte Schicht beim thermischen Spritzen ausgebildet werden.A layer / adhesion promoter layer should preferably be formed as a completely closed dense layer during thermal spraying.

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.At least some of the fibers or portions of fibers should be exposed so that material of the layer / primer layer at undercuts formed on these fibers or portions of fibers at least partially fills after thermal spraying. In this case, partial regions along the longitudinal axis or the neutral fiber of a fiber in the fiber composite material may have an undercut. Between subregions there may be regions in which no undercut is formed and in which only an exposure of a part of the surface of the respective fiber has been achieved.

Es kann ein Substrat eingesetzt werden, das mit Fasern aus Glas, Kohlenstoff, Metall, Basalt und/oder Keramik verstärkt worden ist.A substrate reinforced with fibers of glass, carbon, metal, basalt and / or ceramic may be used.

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.As the matrix-forming polymer, a thermoset, in particular an epoxy resin, a thermoplastic, in particular polyamide, polypropylene, polyethylene, polystyrene or polyetheretherketone can be used as another suitable polymer.

Es kann ein metallischer oder keramischer Werkstoff, mit dem durch thermisches Spritzen die Schicht/Haftvermittlerschicht ausgebildet wird, eingesetzt werden.It can be a metallic or ceramic material with which the layer / adhesion promoter layer is formed by thermal spraying can be used.

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.It is advantageous if laser radiation is used whose wavelength is not absorbed by the respective fiber material or with a maximum of 5% and absorbed by the polymer forming the matrix to at least 50%. As a result, an undesired removal of fiber material can be avoided, but at least reduced to an acceptable level and a sufficiently large material removal on the polymeric material that forms the matrix, and a sufficient exposure of surfaces of pre-embedded in the polymer fibers can be achieved.

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.The focal spot of the at least one laser beam should be moved and / or the laser beam should be operated so that surface areas of the substrate in which fibers are arranged, or not with a maximum of 10% of the power, are irradiated with surfaces in which no fibers are arranged, be irradiated. This can be achieved with a suitable advancing movement of the focal spot, which can be effected for example by two-dimensional deflection of the laser beam with the aid of a scanner mirror.

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.The at least one laser beam can also be operated pulsed thereto, wherein the pulsation is preferably chosen so that surface areas of the substrate in which fibers are arranged, not or with a maximum of 10% of the power with which surface areas are irradiated, in which no fibers are arranged to be irradiated.

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.This can be done relatively easily, since the arrangement of fibers in fiber composites has usually been chosen regularly, and it is therefore even possible to control the movement of the focal spot and the operation of the laser beam, taking into account the known arrangement and orientation of fibers. Also, the positions of nodes formed with multiple fibers can be recognized and used for controlled control of motion and operating parameters (power, pulse duration, pulse rate).

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.It is also possible for a plurality of laser beams, preferably partial beams of a laser beam, to be moved parallel to one another and used for the removal of the polymeric material forming the matrix of the substrate. A laser beam can be split into several laser beams by means of beam splitting.

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.Alone or in addition to this, at least one laser beam in the longitudinal axis direction of fibers embedded in the polymer matrix material and exposed to the absorbed laser energy can be moved with its focal spot next to and at a distance from these fibers to produce an undesired one Influence or to avoid an undesired removal of fiber material.

Der durch Energieeintrag mittels mindestens eines Laserstrahls sollte also an der jeweiligen Oberfläche lokal definiert erfolgen.The energy input by means of at least one laser beam should therefore be locally defined at the respective surface.

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.With the invention, for a subsequently applied to this process step by thermal spraying on the respective surface layer / adhesive layer both a better connection, due to the thereby achieved increased surface, the avoidance or at least the reduction of mechanical residual stresses by the exposure of fibers reached increased improved thermal conductivity can be achieved in the substrate material. It can be exploited here that the fibers can have a higher thermal conductivity than the respective polymer forming the matrix.

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.By a damage-free exposure of fibers, the heat of the thermally sprayed material, with which the layer / adhesion promoter layer is formed, are better forwarded through the fibers in the fiber composite material. As a result, the heat can be transferred from the layer / adhesion promoter layer during thermal spraying and also shortly thereafter to the substrate. The temperature difference between the layer / adhesion promoter layer and the substrate decreases and the thermal expansion of the layer / adhesion promoter layer and the substrate approach each other. Thus, internal mechanical stresses in the region of the boundary layer between layer / adhesion promoter layer and substrate material can be reduced.

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.An improved adhesion of the thermally sprayed layer / adhesion promoter layer on the respective surface of the pretreated substrate can be achieved by enlarging the effective surface by means of the laser structuring carried out in advance. The partial exposure of surfaces of fibers constituting the reinforcing material of the fiber composite by the laser radiation also increases the thermal conductivity across the fibers and increases the mechanical interlocking (Coating Adhesive "embraces" individual fibers or fiber bundles), thereby also providing a thermal barrier positive connection can be made.

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.It is also possible to form a structuring on the respective surface of a substrate in the form of island structures, hatchings, a predeterminable roughness and the formation of undercuts on fibers to increase the effective surface area. As a result, an improved mechanical clamping of the material of the layer / adhesion promoter layer on the respective surface of a substrate, in particular in areas in which fibers have been exposed by means of the laser radiation used from the matrix material, and in particular an improved form-fitting can be achieved.

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.The increased thermal conduction ensures that the heat introduced with the thermally sprayed material with which the layer / bonding agent layer is formed can be conducted better and in particular more homogeneously into the substrate material and the polymer matrix experiences less thermal damage. This also reduces the internal mechanical stresses between the substrate material and the material of the layer / adhesion promoter layer. In addition, the fatigue strength can be positively influenced.

Der Formschluss zwischen dem thermisch aufgespritzten Werkstoff für die Schicht/Haftvermittlerschicht und Substratmaterial, insbesondere den Fasern, bietet zusätzliche Haftfestigkeit und steigert die thermische Leitfähigkeit.The positive connection between the thermally sprayed material for the layer / adhesion promoter layer and substrate material, in particular the fibers, provides additional adhesion and increases the thermal conductivity.

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.With the locally defined material removal to be carried out according to the invention, which can be achieved solely by means of laser radiation, a damage-free, at least almost completely damage-free exposure of at least partial regions of fibers of the substrate material can be achieved, which can be achieved by other methods, such as e.g. embossing, machining or other mechanical or chemical material removal is not possible.

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.When using laser radiation for the locally defined material removal on a respective surface of a substrate, a geometrically determined surface structure can be formed. The partially exposed fibers are neither destroyed nor their orientation changed so that they lose their reinforcing properties, if at all, only marginally. In particular, an upward orientation away from the surface can be avoided, which would obstruct or hinder the connection of further layers, in particular due to possibly occurring shadowing.

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.The components / semifinished products produced according to the invention can be further processed after the formation of the layer / adhesion promoter layer by the application of at least one further functional or protective layer, for example to printer rollers, elements for carbon brakes or turbine blades.

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.Depending on the matrix material present (type and absorption capacity for the laser radiation used) and on the fibers (type, arrangement) forming the reinforcing material Substrate material, which is to be a fiber composite material, one can choose the parameters with which the laser radiation on the respective surface of the substrate formed from the fiber composite material. In this case, at least one laser beam can be used which can be pulsed with pulse lengths in the range of μs to fs and a wavelength in the range of 248 nm <λ <10.6 μm.

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.In the case of a reinforcement, which is formed with glass fibers, there is the physical advantage that most wavelengths of laser radiation are not or only slightly absorbed by the glass fiber material. For substrates which are formed with glass fibers, a locally defined guidance and movement of the focal spot of a laser beam directed onto the respective surface of the substrate is not absolutely necessary and therefore not absolutely necessary.

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.In a reinforcement which is formed with carbon fibers, however, a locally defined arrangement and movement of the focal spot of a laser beam should be preferred so that the focal spot of the respective laser beam is directed as generally as possible to surface regions of the substrate in which no fibers of carbon are arranged as far as possible. In particular, when using carbon fibers, it is also advisable to choose the power of the laser radiation or the power density in each focal spot small.

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.In the case of fibers of metal or ceramic, it is possible to choose laser radiation having a wavelength which is absorbed by the polymer forming the matrix many times more than is the case with the particular metal or ceramic material with which the fibers are formed. If the selected laser radiation from the respective fiber material absorbed much less, can be dispensed with a very accurate positioning of a focal spot of a selected laser beam with respect to the arrangement of fibers, as with the laser beam introduced energy substantially, ie to a much greater extent exclusively a removal of polymer is achieved and the fibers are exposed only from the matrix.

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.In addition, it is possible to use different absorption coefficients of the fibers and of the matrix-forming polymer for the laser radiation used and to irradiate the entire substrate surface with the focal spot of at least one pulsed laser beam.

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.With sufficiently high pulse energies of the laser radiation used in the focal spot of a laser beam, it is still possible to ablate or damage both types of material. The laser power should be adjusted so that the laser beam exclusively ablates the polymer that forms the matrix and the fibers forming the reinforcement are not damaged. Depending on the present reinforcement structure, which may be provided with a textile structure, e.g. may be a nonwoven, woven fabric or scrim, the number of process cycles with which a focal spot sweeps over a position of the respective surface of a substrate can be selected so that the desired material removal at the respective surface of the substrate can be achieved. Especially in the case of a nonwoven individual fibers are very close to the surface and can already be exposed with 1 to 3 cycles. In the case of fabric, the near-surface fibers are exposed during the first pass, so that further process cycles (up to 30) can be required to achieve a sufficient area of matrix material removal with sufficient exposure of fibers.

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

Dabei zeigt:

1 in schematischer Form eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Halbzeugs.

Showing:

1 in schematic form a sectional view through an example of a semifinished product according to the invention.

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.The damage-free fiber exposure of carbon fiber reinforced epoxy resin as a material for a substrate 1 is, for example, with a pulsed laser beam of the wavelength 330 nm - 380 nm and nanosecond pulses ( 10 ns to 50 ns) realized. For beam deflection, a galvanometer scanner with plan field optics (focal length 163 mm) is used. The laser beam is thereby moved with its focal spot in the form of parallel, slightly overlapping lines over the respective surface of the substrate material until the surface area to be structured and / or to be exposed has been completely processed. This corresponds to a hatching of the surface area to be exposed. There are very few ( 1 - 5 ) Process cycles necessary to surface fibers 2 expose. For a surface removal of polymer of the substrate material up to 30 passes of the focal spot are required. Regardless of the fiber orientation, hatching with intersecting lines is particularly suitable for implementing a uniform ablation pattern. Since the laser parameters are geometry-dependent, this information only applies to a working surface for a square of about 5 mm to 30 mm edge length. For example, a laser power of 2 watts to 10 watts at a feed rate of the focal spot of a laser beam of 600 mm / s to 1200 mm / s can be used. The focal spot can have a diameter of 25 μm and / or with a power in the range 400 MW / cm ² to 2500 MW / cm ^{2 are} operated.

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.In the thus treated substrate 1 this was a fiber composite made with epoxy resin as polymer for the matrix and with carbon fibers with an outside diameter of 7 mm.

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.The application of the primer layer 3 is usually realized by electron beam spraying with one or more superimposed layers. Meet the spray particles on the respective structured surface of the substrate 1 So put the heat directly into the exposed fibers 2 which have a much higher thermal conductivity than the polymeric matrix material of the substrate 1 , The drop-shaped spray particles, also called "splats", are deposited on impact with the surface of the substrate which is partially exposed by the polymeric matrix material 1 around the individual partially uncovered fibers 2 and fiber bundles around and freeze. This results in undercuts (undercuts), which lead to a better mechanical clamping compared to a non-laser pretreated substrate. The primer layer was formed with a nickel-chromium alloy in which the proportion of nickel has been chosen to be greater than the proportion of chromium, as a suitable metallic material.

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.In turn, a metallic or ceramic layer, preferably of aluminum oxide, can be sprayed onto this adhesion promoter layer by means of plasma spraying or high-speed flame spraying. With the sprayed ceramic or possibly a metal layer then a component can be obtained.

Claims

A method for producing a component, which is formed with a fiber composite material, wherein the component is to be provided on a surface subsequently with a layer of another material, in particular with a bonding agent layer, wherein a surface of a substrate (1) with a fiber composite material is formed, in which fibers (2) are embedded in a matrix formed with a polymer, is irradiated with at least one laser beam so that a material removal of the polymer forming the matrix is achieved, in which the irradiated surface roughened and fibers (2), which are arranged in a near-surface region of the irradiated surface of the substrate (1) are exposed, and then a layer or a primer layer (3) by a thermal coating process on this surface of the substrate (1) is formed.

Method according to Claim 1 , characterized in that the material removal takes place by absorption of laser radiation energy carried out in the matrix-forming polymer and in this case no or a maximum material removal of fibers (2) of a maximum of 5% occurs.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that fibers (2) are exposed by the energy input to at least 30% of its surface.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least some of the fibers (2) or subregions of fibers (2) are exposed so that the material of the layer, in particular of the adhesion promoter layer (3) in undercuts which on these fibers (2 ) or portions of fibers (2) have been formed, at least partially fills.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a substrate (1) is used which with fibers (2) made of glass, carbon, basalt, metal and / or ceramic and / or as the matrix-forming polymer is an epoxy resin, in particular bisphenol -based epoxy resins, a thermoplastic, in particular polyamide, polypropylene, polyethylene, polystyrene or polyetheretherketone as another polymer and / or a metallic or ceramic material in particular by thermal spraying to form the layer, in particular the adhesive layer (3) is / are used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that laser radiation is used whose wavelength is not absorbed by the respective fiber material or with a maximum of 5% and absorbed by the matrix-forming polymer to at least 50%.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the entire substrate surface irradiated with the focal spot of at least one preferably pulsed laser beam and thereby different absorption coefficients of the fibers (2) and the matrix forming polymer of the laser radiation used are used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the focal spot of the at least one laser beam is moved and / or the laser beam is operated so that surface regions of the substrate (1) in which fibers (2) are arranged, not or with a maximum of 10% the power irradiated with surfaces in which no fibers (2) are arranged are irradiated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one laser beam is operated pulsed, wherein the pulse is preferably selected so that surface areas of the substrate (1) in which fibers (2) are arranged, not or with a maximum of 10% of the power with which surface areas are irradiated, in which no fibers (2) are arranged to be irradiated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of laser beams, preferably partial beams of a laser beam parallel to each other and / or at least one laser beam in Längsachsrichtung embedded in the polymeric matrix material with the laser energy absorbed to be laid fibers (2) with its focal spot next to and in a distance to these fibers (2) is moved.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a structuring on the respective surface of a substrate (1), in particular in the form of island structures, hatching, a predetermined roughness and the formation of undercuts to fibers (2) designed to increase the effective surface becomes.