DE102018009864A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles - Google Patents

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fiber
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heated
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Thorsten Marten
Corin Reuter
Mike Bambach
Thomas Tröster
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Universitaet Paderborn
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Universitaet Paderborn
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles (3), welches wenigstens eine erste und eine zweite Bauteilkomponente (1,2) umfasst, die verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und die stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei zumindest die erste Bauteilkomponente (1) erwärmt wird, bevorzugt beide Bauteilkomponenten (1,2) erwärmt werden und in der zweiten Bauteilkomponente (2), insbesondere in der mit dem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, in wenigstens einer Richtung eine mechanische Spannung erzeugt wird, insbesondere durch Ausübung wenigstens einer in wenigstens einer Richtung ziehenden Kraft (F), die an beabstandeten Bereichen dieser Bauteilkomponente (2) wirkt und die erste Bauteilkomponente (1) und die unter Spannung stehende zweite Bauteilkomponente (2) miteinander stoffschlüssig verbunden werden, insbesondere hiernach abkühlen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles, welches wenigstens eine erste und eine zweite Bauteilkomponente umfasst, die verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und die stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
  • Bauteilkomponenten mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten können allgemein Bauteile aus verschiedenen Materialien sein, z.B. zwei verschiedene Metallkomponenten sein, also Bauteile aus verschiedenen Metallen oder zwei verschiedene Faserkomponenten sein, bei denen verschiedene Fasermaterialien und/oder Matrixmaterialien eingesetzt sind oder in besonders bevorzugter Kombination eine Metallkomponente und eine Faserkomponente, insbesondere wobei in dieser Kombination die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten besonders groß sind. Die Unterschiede können in einer solchen Kombination größer sein als ein Faktor 10 oder sogar größer als ein Faktor 100.
  • Die Herstellung von Hybridbauteilen dieser Art, insbesondere der besonders bevorzugten Kombination ist im Stand der Technik bekannt. Als Metallkomponente des Hybridbauteils dient dabei üblicherweise ein Metallbauteil. Die Faserkomponente wird aus natürlichen oder künstlichen Fasern gebildet, wie z.B. aus Kohlefasern, Aramid-Fasern oder Glasfasern. Die Anordnung der Fasern kann dabei z.B. als Fasergelege (uni- oder mehraxial), als Fasergewirk oder -gewebe ausgebildet sein. Als Faserkomponente im Sinne der Erfindung sind sowohl die reinen Fasern zu verstehen als auch mit einem Matrixmaterial verbundene Fasern.
  • Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt üblicherweise dadurch, dass die Fasern der Faserkomponente mit einem härtenden Matrixmaterial getränkt sind oder werden, z.B. mit einem polymerisierenden und durch die Polymerisation aushärtenden Kunststoffmatrixmaterial, wie beispielsweise einem Epoxidharz oder einem Polyesterharz. Dabei verbindet das aushärtende Matrixmaterial nicht nur die Fasern untereinander, sondern bewirkt auch die stoffschlüssige Verbindung zur Oberfläche der Metallkomponente. Das Matrixmaterial bildet in diesem Fall auch das Verbindungsmaterial.
  • Hybridbauteile dieser Art haben gegenüber reinen Metallbauteilen Vorteile hinsichtlich Festigkeit und Gewicht.
  • Hybridbauteile aus verschiedenen Materialien, insbesondere aus verschiedenen Metallen können allgemein mit einem Verbindungsmaterial stoffschlüssig verbunden werden, z.B. durch ein Klebematerial. Ein solches Klebematerial kann identisch sein zu einem Matrixmaterial, mit dem Fasern verbunden werden.
  • Die Aushärtung des Verbindungsmaterials, insbesondere des Matrixmaterials erfolgt häufig unter Wärmeeinwirkung. Zum einen kann diese Wärme durch die Polymerisationsreaktion des Verbindungsmaterials / Matrixmaterials selbst entstehen, wodurch sich auch die Bauteilkomponenten erwärmen, zum anderen kann es aber auch vorgesehen sein, zum Zweck der Aushärtung eine künstliche Erwärmung des geformten noch nicht ausgehärteten Verbundes der Bauteilkomponenten, insbesondere der Metall- und Faserkomponente oder auch nur einer der Bauteilkmomponenten, insbesondere der Metallkomponente vorzunehmen, um so das Verbindunsgmaterial / Matrixmaterial auf eine bestimmte nötige, vorgegebene oder gewünschte Aushärtungstemperatur zu bringen, so dass die Aushärtung auf einem gegenüber der Umgebung erhöhten Temperaturniveau stattfindet. Durch die Härtung bei gegenüber der Umgebung erhöhten Temperaturen, z.B. im Bereich von 100 °C bis 200°C kann eine höhere Festigkeit des Hybridbauteils und auch ein besserer Verbund erzielt werden.
  • Problematisch ist es bei einer solchen Aushärtung unter erhöhten Temperaturen, dass sich die Bauteilkomponenten, die verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, unterschiedlich ausdehnen, insbesondere sich die Metallkomponente anders ausdehnt als die Faserkomponente, insbesondere die Ausdehnung der Faserkomponente gegenüber der Metallkomponente fast vernachlässigbar ist.
  • Da die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten unter der Einwirkung der erhöhten Temperatur stattfindet ergibt es sich, dass nach der Abkühlung im Hybridbauteil eine ungewünschte, insbesondere undefinierte Eigenspannung vorliegt, da sich nach der Abkühlung die eine Bauteilkomponente, insbesondere die Metallkomponente stärker verkürzt als es die andere Bauteilkomponente, insbesondere die Faserkomponente tut.
  • Eine solche Eigenspannung kann zu einer unerwünschten Verformung des Hybridbauteils führen, z.B. durch eine Verwölbung bzw. ein Schüsseln, oder auch dazu, dass bei einer weiterhin einwirkenden Belastung von außen das Hybridbauteil versagt, z.B. dadurch, dass sich deren Komponenten voneinander lösen.
  • Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem das Auftreten von Eigenspannungen im Hybridbauteil zumindest kontrolliert werden kann, bevorzugt auftretende Eigenspannungen verringert werden können und besonders bevorzugt Hybridbauteile ohne oder zumindest mit minimierten Eigenspannungen hergestellt werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei der Herstellung des Hybridbauteils zumindest die erste Bauteilkomponente erwärmt wird, bevorzugt beide Bauteilkomponenten erwärmt werden und in der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere die mit dem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, in wenigstens einer Richtung, bevorzugt in zwei zueinander senkrechten Richtungen eine mechanische Spannung erzeugt wird. Eine solche Spannung kann in einer gewünschten Richtung z.B. dadurch erzielt werden, dass in dieser Richtung bzw. parallel dazu wenigstens eine ziehende Kraft an der Bauteilkomponente, z.B. der Faserkomponente wirkt, z.B. dadurch, dass die Kraft bzw. Kräfte an in dieser Richtung beabstandeten Bereichen der Bauteilkomponente, z.B. der Faserkomponente angreifen.
  • Bei einer Faserkomponente als zweite Bauteilkomponente werden so die Fasern zwischen den Bereichen, an denen die Kräfte angreifen unter eine Zugspannung gesetzt. Bei Bauteilkomponenten allgemein wird so das Material der Bauteilkomponente zwischen den Bereichen unter eine Zugspannung gesetzt. Die Kräfte können z.B. dadurch in die zweite Bauteilkomponente, z.B. eine Faserkomponente eingeleitet werden, dass diese, bzw. deren Fasern mit einer Ziehvorrichtung verbunden werden. Die Verbindung ist bevorzugt zumindest kraftschlüssig. Dafür kann eine Klemmung oder auch Verklebung zwischen dem Material der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere den Fasern der Faserkomponente und der Ziehvorrichtung vorgesehen sein.
  • Die Größe der erzeugten Spannung kann z.B. durch Messen der wirkenden Kraft/Kräfte kontrolliert bzw. auf ein gewünschtes Maß eingestellt werden. Dafür können geeignete Sensoren an /in der Ziehvorrichtung vorhanden sein.
  • Die Erfindung sieht vor, dass zumindest die erste Bauteilkomponente, z.B. die Metallkomponente erwärmt wird, bevorzugt beide Bauteilkomponenten, insbesondere die Gesamtanordnung aus Faserkomponente und Metallkomponente, insbesondere vor oder während der Durchführung der stoffschlüssigen Verbindung.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die in der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente erzeugte Spannung im nicht erwärmten und/oder erwärmte Zustand der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente auf eine gewünschte Größe eingestellt wird.
  • Es werden somit erfindungsgemäß die erste Bauteilkomponente, insbesondere die erwärmte Metallkomponente und die unter Spannung stehende, insbesondere ebenso miterwärmte zweite Bauteilkomponente, insbesondere die Faserkomponente miteinander stoffschlüssig verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt durch ein zwischen den Komponenten den Stoffschluss herstellendes Verbindungsmaterial, insbesondere ein Klebemittel, bevorzugt ein Matrixmaterial mit dem auch eine Faserkomponente getränkt ist / wird. Nach der stoffschlüssigen Verbindung kühlt das mit dem Stoffschluss erstellte Hybridbauteil ab.
  • Bei der Abkühlung kontrahiert die zuvor mit der Erwärmung ausgedehnte erste Bauteilkomponente, insbesondere Metallkomponente wieder und reduziert aufgrund des Stoffschlusses damit die zuvor in die zweite Bauteilkomponente, insbesondere die Faserkomponente eingebrachte Spannung.
  • Aufgrund der Kenntnis der Materialparameter der Bauteilkomponenten, insbesondere des Metalls der Metallkomponente, bevorzugt des Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere auch der zweiten Bauteilkomponente, bevorzugt der Faserkomponente, insbesondere auch der Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur bei der Nutzung des Hybridbauteils und der während der Verbindung herrschenden Temperatur und bevorzugt der Kenntnis der Größe der erzeugten Spannung in der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente lässt sich so die im Hybridbauteil erzeugte resultierende Eigenspannung definiert einstellen, insbesondere verringern gegenüber einer Situation in der die Komponenten des Hybridbauteiles ohne Spannung in der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente verbunden würden.
  • In bevorzugter Ausführung kann es die Erfindung vorsehen, dass die mechanische Spannung in der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente vor der stoffschlüssigen Verbindung so eingestellt wird, dass nach der stoffschlüssigen Verbindung im wieder abgekühlten Hybridbauteil eine gewünschte, vorbestimmte Eigenspannung vorliegt. Es lässt sich also mit der Erfindung definiert jeder gewünschte Eigenspannungszustand im Hybridbauteil kontrolliert erzeugen. Insbesondere kann es die Erfindung vorsehen, dass die Eigenspannung im Hybridbauteil minimiert ist, bevorzugt dass diese gleich null ist.
  • In einer Ausführung der Erfindung mit einer Metallkomponente als erste Bauteilkomponente und einer Faserkomponente als zweites Bauteilkomponente kann vorgesehen sein, dass bei der Erwärmung die Metallkomponente bis über die Schmelztemperatur des Metalls dieser Komponente erwärmt wird und die unter Spannung stehende Faserkomponente in die Metallschmelze eingelegt wird. Hierbei sind entsprechend hitzebeständige Fasern zu wählen.
  • In der bevorzugten Ausführung für beliebige Arten von Bauteilkomponenten kann es die Erfindung hingegen vorsehen, dass bei der Erwärmung zumindest die erste Bauteilkomponente, insbesondere die gesamte noch nicht stoffschlüssig verbundene Anordnung beider Bauteilkomponenten auf eine Aushärtungstemperatur, insbesondere über 100 °C, bevorzugt zwischen 100°C und 200°C, erwärmt wird, die benötigt wird für die Aushärtung eines Verbindungsmaterials, mit welchem die unter Spannung stehende zweite Bauteilkomponente mit der ersten Bauteilkomponente verbunden wird.
  • In der bevorzugten Kombination von einer ersten Metallkomponente und einer zweiten Faserkomponente kann das Matrixmaterial der Faserkomponente, mit welchem diese Faserkomponente getränkt ist oder getränkt wird, als Verbindungsmaterial genutzt werden, um diese beiden Komponenten mittels des Matrixmaterials stoffschlüssig zu verbinden.
  • Zur Verbindung der Komponenten ist es somit insbesondere vorgesehen die Faserkomponente und die Metallkomponente miteinander in Kontakt zu bringen, so dass das Matrixmaterial, welches die Faserkomponente durchtränkt auch die Oberfläche der Metallkomponente benetzt. Allgemein ist es vorgesehen ein Verbindungsmaterial zwischen die zu verbindenden Bauteilkomponenten zu fügen, welches die gegenüberliegenden Bauteiloberflächen benetzt, um die stoffschlüssige verbindung herzustellen.
  • Unter der Wirkung der Aushärtungstemperatur, die über der späteren Einsatztemperatur des Hybridbauteils liegt, erfolgt somit die stoffschlüssige Verbindung, d.h. die unter mechanischer Spannung stehende zweite Bauteilkomponente, z.B. die Faserkomponente wird mit dieser Spannung an die ausgedehnte, bzw. anders ausgedehnte erste Bauteilkomponente, z.B. die Metallkomponente angebunden. Mit der Abkühlung erfolgt sodann der Abbau dieser mechanischen Spannung.
  • Das so hergestellte Hybridbauteil kann so jede gewünschte Eigenspannung aufweisen, insbesondere kann die Eigenspannung minimiert sein, bevorzugt kann sie Null sein.
  • Um die zweite Bauteilkomponente, z.B. die Faserkomponente unter Spannung zu setzen kann es die Erfindung bevorzugt vorsehen, dass die zweite Bauteilkomponente in zueinander beabstandeten Bereichen an einem Werkzeug befestigt wird. Bei einer Faserkomponente als zweite Bauteilkomponente sind die Bereiche bevorzugt die in einer Fasererstreckungsrichtung beabstandet.
  • Dieses Werkzeug kann in dieser Ausführung die eingangs genannte Ziehvorrichtung bilden.
  • Die Befestigung an dem Werkzeug kann bevorzugt so erfolgen, dass hiernach die zweite Bauteilkomponente, z.B. die Faserkomponente, in einem zumindest im Wesentlichen spannungslosen Zustand mit dem Werkzeug verbunden ist. Hierunter kann bei einer Faserkomponente verstanden werden, dass diese Faserkomponente zwar glattgestreckt sein kann, insbesondere z.B. eine vorherige Texturierung weggestreckt ist, die Fasern der Faserkomponente aber nicht gelängt werden.
  • Die Erfindung sieht in dieser Ausführung vor, dass vor der stoffschlüssigen Verbindung das Werkzeug mit der daran befestigten, insbesondere darauf aufgespannten zweiten bauteilkomponente, z.B. der Faserkomponente erwärmt wird, wobei das Werkzeug durch seine temperaturbedingte Ausdehnung die mechanische Vorspannung in der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente erzeugt. Insbesondere ist es dafür vorgesehen, dass das Werkzeug sich so unter der Wirkung der erhöhten Temperatur ausdehnt, dass sich der Abstand der Befestigungsstellen der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente mit der Ausdehnung vergrößert.
  • Bevorzugter Weise ist vorgesehen, dass das Werkzeug auf dieselbe Temperatur, insbesondere die vorgenannte Aushärtungstemperatur erwärmt wird, wie die erste Bauteilkomponente, insbesondere die Metallkomponente. Dies hat den Vorteil, dass für die Erwärmung des Werkzeuges keine andere Infrastruktur zur Verfügung gestellt werden muss als die, die ohnehin zur Erwärmung zumindest der ersten Bauteilkomponente, z.B. der Metallkomponente, bzw. der unverbundenen Anordnung der Komponenten vorgesehen ist. Es kann auch vorgesehen sein, das Werkzeug separat zur ersten und/oder zweiten Bauteilkomponente , insbesondere also auf eine andere Temperatur zu erwärmen.
  • In einer beispielhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug durch einen Rahmen, bevorzugt einen metallischen Rahmen gebildet wird, wobei die zweite Bauteilkomponente, z.B. die Faserkomponente an zumindest zwei der sich gegenüberliegenden Rahmenteilen befestigt wird. Die zweite Bauteilkomponente, insbesondere die Faserkomponente kann so die vom Rahmen umgebene Öffnung überdecken und mit Hilfe des Rahmens z.B. auf die erste Abuteilkomponente, insbesondere die Metallkomponente aufgelegt werden. Durch die Erwärmung längen sich die Rahmenteile, so dass auf die zweite Bauteilkomponente, insbesondere die Faserkomponente die eingangs genannte ziehende Kraft einwirkt, welche die Spannung in der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente erzeugt.
  • Bevorzugt sieht es die Erfindung weiterhin vor, dass das Werkzeug, insbesondere der genannte Rahmen, während der Erwärmung und bevorzugt während der Erzeugung der stoffschlüssigen Verbindung und der damit erzeugten Längendehnung gegen ein Verbiegen durch die in der zweiten Bauteilkomponente , insbesondere Faserkomponente erzeugte Spannung in einer Haltevorrichtung, insbesondere Presse, gesichert wird.
  • In besonders bevorzugter Ausführung sieht es die Erfindung vor, dass für das Werkzeug, wie beispielsweise den Rahmen, dasselbe Material ausgewählt wird wie bei der ersten Bauteilkomponente, insbesondere somit dasselbe Metall wie bei einer Metallkomponente. Bei Erwärmung des Werkzeuges und der ersten Bauteilkomponente, insbesondere der Metallkomponente auf dieselbe Temperatur, insbesondere auf die genannte Aushärtungstemperatur eines Verbindungsmaterials / Matrixmaterials, wird so bewirkt, dass sich das Werkzeug und die erste Bauteilkomponente, z.B. die Metallkomponente in gleicher Weise in der Länge bzw. allgemein den Abmessungen dehnen, insbesondere wodurch nach der Abkühlung ein eigenspannungsfreier Zustand des hergestellten Hybridbauteils erzeugt wird.
  • In einer möglichen Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass das Werkzeug durch die erste Bauteilkomponente, z.B. die Metallkomponente selbst gebildet wird. Die zweite Bauteilkomponente, z.B. die Faserkomponente wird dabei an beabstandeten Bereichen der ersten Bauteilkomponente, z.B. der Metallkomponente an dieser befestigt, wobei bevorzugt die zweite Bauteilkomponente, insbesondere die Faserkomponente die Oberfläche der ersten Bauteilkomponente, insbesondere der Metallkomponente zwischen diesen Bereichen kontaktiert. So wird die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten mit einem Verbindungsmaterial, insbesondere dem Matrixmaterial, in einem Bereich zwischen den beabstandeten Befestigungsbereichen durchgeführt.
  • Auch diese Ausführung hat den Vorteil, dass auf die zweite Bauteilkomponente, insbesondere die Faserkomponente, mit der Ausdehnung eine Spannung ausgeübt wird, die nach der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung und der Abkühlung verschwindet, so dass ein Hybridbauteil ohne Eigenspannung entsteht.
  • Für alle Ausführungen, die eine stoffschlüssige Verbindung mit einem Matrixmaterial zwischen einer Metallkomponente und einer Faserkomponente vorsehen, kann gemäß der Erfindung das Matrixmaterial z.B. erst nach der Erzeugung der Vorspannung in der Faserkomponente, insbesondere nach Kontaktierung der Faser- und Metallkomponente auf diese aufgetragen werden, um die Faserkomponente zu tränken. Es können jedoch auch bereits mit dem Matrixmaterial getränkte Faserkomponenten unter Spannung gesetzt werden.
  • Der Stand der Technik und die Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
  • Beschrieben werden die Figuren anhand der exemplarischen Ausführung der ersten Bauteilkomponente als Metallkomponente und der zweiten Bauteilkomponente als Faserkomponente, die mit einem Matrixmaterial getränkt ist oder wird. In gleicher Weise gelten die Ausführungen allgemein für jede beliebige Paarung aus einer ersten Bauteilkomponente und einer zweiten Bauteilkomponente, deren Materialien verschiedene Ausdehnungskoeffizienten haben.
  • Ebenso ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, genau zwei Bauteilkomponenten miteinander zu verbinden. Es kann auch ein Laminat aus mehr als zwei Bauteilkomponenten hergestellt werden, wobei innerhalb des Laminates eine der Bauteilkomponenten die erste Bauteilkomponente und eine andere die zweite Bauteilkomponente bildet, mit denen das Verfahren durchgeführt wird.
  • Die 1 zeigt zunächst die Situation gemäß dem bisherigen Stand der Technik. Im linksseitigen Teil wird der Ausgangszustand gezeigt, gemäß dem die Metallkomponente 1 und die Faserkomponente 2 verbunden werden sollen. Die Faserkomponente 2 kann bereits mit einem Matrixmaterial getränkt sein oder getränkt werden. Die Temperatur wird als übliche Umgebungstemperatur angenommen, bei der ein Hybridbauteil später eingesetzt werden soll, z.B. eine übliche Raumtemperatur, wie beispielsweise 20 °C.
  • Im nach rechts fortgeführten Verlauf der Herstellung erfolgt eine Erwärmung zumindest der Metallkomponente, die sich hierdurch um das Stück 1a längt. Die Temperatur kann z.B. 160 °C betragen. Diese Temperatur kann einer für die Aushärtung des Matrixmaterials benötigten Temperatur entsprechen. Die Längung der Faserkomponente 2 ist vernachlässigbar und nicht visualisiert. Typische Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium (23 * 10-6K-1) und Stahl (12 * 10-6K-1) sind hier im Vergleich angegeben zu kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff CFK(0°) (0,2 * 10-6K-1) und glasfaserverstärktem Kunststoff GFK(0°) (5 * 10-6K-1).
  • Im ausgedehnten Zustand erfolgt die stoffschlüssige Verbindung durch Härtung des Matrixmaterials. Der rechte Teil der 1 zeigt das herstellte Hybridbauteil 3 nach der Abkühlung. Durch die stärkere Kontraktion der Metallkomponente 1 im Vergleich zur Faserkomponente 2 wird eine Eigenspannung im Hybridbauteil 3 erzeugt, die zu einer Verwölbung dieses Hybridbauteils 3 führt, hier zu einer konvexen Verwölbung nach oben in Richtung zur Faserkomponente 2.
  • 2 zeigt demgegenüber die Wirkungsweise der Erfindung bei hier angenommenen gleichen Temperaturbedingungen wie bei der 1.
  • Die linksseitige Ausgangssituation zeigt wiederum eine Metallkomponente 1 und eine Faserkomponente 2, die schon mit Matrixmaterial getränkt ist oder noch getränkt wird.
  • Gemäß dem weiteren nach rechts fortgeführten Verfahrensverlauf wird die Faserkomponente 2 unter eine mechanische Spannung gesetzt, wofür an beabstandeten Bereichen, hier den Enden der Faserkomponente 2, entgegengesetzte Zugkräfte F auf die Faserkomponente 2 ausgeübt werden.
  • Unter Beibehaltung dieser Spannung bzw. der Wirkung der Kräfte F wird die Faserkomponente 2 mit der erwärmten und in der Länge um das Stück 1a ausgedehnten Metallkomponente 1 in Kontakt gebracht und stoffschlüssig verbunden. Nach der Verbindung können die Kräfte F entfallen, wodurch in das ausgehärtete aber noch warme Hybridbauteil 3 eine Vorspannung eingeprägt ist, die durch die Abkühlung abgebaut wird.
  • Nach der Abkühlung ist durch die Kontraktion von der Metallkomponente die vorherige Vorspannung der Faserkomponente abgebaut und das Hybridbauteil hat keine eingeprägte Eigenspannung. Die in der 1 gezeigte Verwölbung des Hybridbauteils 3 tritt hier somit nicht auf.
  • Die 3 zeigt eine konkrete Ausgestaltung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Hier wird die Metallkomponente 1, eine Metallplatte, mit der Faserkomponente 2, z.B. einem Fasergelege, stoffschlüssig verbunden. Es ist als Werkzeug ein Rahmen 4 vorgesehen, der eine Öffnung umgibt, die von der Faserkomponente 2 teilweise überdeckt wird, wofür die Faserkomponente 2 an den gegenüberliegenden Rahmenteilen 4a kraftschlüssig befestigt wird, z.B. durch Verklemmung oder Verklebung.
  • Durch Erwärmung der Metallkomponente 1, der Faserkomponente 2 und des Rahmens 4 auf eine gewünschte Aushärtungstemperatur dehnt sich zwar die Metallkomponente 1 aus, es wird aber auch gleichzeitig durch die Ausdehnung des Rahmens 4 und hier besonders der Rahmenteile 4b bewirkt, dass Zugkräfte F auf die Faserkomponente 2 ausgeübt werden, die in dieser eine mechanische Spannung erzeugen. Die Kräfte F wirken dabei an den Befestigungsstellen zwischen Faserkomponente 2 und Rahmen 4.
  • Die Faserkomponente 2 kann bereits mit einem Matrixmaterial getränkt sein oder wird getränkt und mit der Metallkomponente 1 in Kontakt gebracht. Im erwärmten Zustand und somit unter Wirkung der Spannung in der Faserkomponente 2 wird diese durch Aushärtung des Matrixmaterials mit der Metallkomponente 1 stoffschlüssig verbunden und bildet das noch warme Hybridbauteil. Mit Abkühlung des Hybridbauteils kontrahieren die Metallkomponente 1 und auch die Rahmenteile 4b, so dass die Spannung in der Faserkomponente 2 abgebaut wird und das Hybridbauteil im abgekühlten Zustand spannungsfrei ist.
  • In der Abbildung sind noch Unter- und Oberwerkzeuge 5a und 5b gezeigt, die vorgesehen sein können, um während der Verfahrensausführung die Metallkomponente 1 und der Faserkomponente 2 gegen Verformung zu sichern. Hierfür können während der Verfahrensdurchführung die Metallkomponente 1 und die Faserkomponente 2 zwischen den Unter- und Oberwerkzeugen 5a, 5b kontaktierend eingeschlossen sein. Die Werkzeuge 5a, 5b können alternativ oder in Kombination mit der vorherigen Ausführung auch zur Erwärmung vorgesehen sein.
  • 4 zeigt eine Ausführung, bei welcher die Faserkomponente mit einem Zugwerkzeug unter Spannung gesetzt werden kann. Das Zugwerkzeug umfasst zwei Paare von Klemmbacken 6a, 6b, zwischen denen die Faserkomponente festgeklemmt werden kann. Durch Erhöhung des Abstandes zwischen den beiden Paaren von Klemmbacken 6a, 6b werden entgegengesetzte Kräfte F und damit die Spannung in der Abstandsrichtung der Klemmbacken 6a, 6b erzeugt. Mit dem Zugwerkzeug können von der herrschenden Temperatur unabhängige Kräfte F und somit Spannungen erzeugt werden.
  • 5 visualisiert eine weitere Ausführung, bei welcher die Metallkomponente 1 selbst das Zugwerkzeug bildet, um eine Spannung in der Faserkomponente 2 zu erzeugen.
  • Hierzu wird eine ungetränkte Faserkomponente 2 kontaktierend auf die Metallkomponente 1 aufgelegt und in den schraffierten Bereichen 7, insbesondere die in der Faserrichtung beabstandet sind, mit der Metallkomponente 1 kraftschlüssig verbunden, z.B. durch eine kraft- und stoffschlüssige Verklebung an diesen Stellen 7, was mit demselben Matrixmaterial erfolgen kann, mit dem auch später die Tränkung der Faserkomonente 2 und zur Bildung des Hybridbauteiles erfolgt.
  • Nach erfolgter Befestigung, insbesondere Aushärtung der Verklebung in den Bereichen 7, kann die Faserkomponente 2 im Bereich 8 zwischen den Befestigungsbereichen 7 mit dem hier tropfenförmig angedeuteten Matrixmaterial 9 getränkt werden und die gezeigte Gesamtanordnung aus Metallkomponente 1 und getränkter Faserkomponente 2 erwärmt werden.
  • Hierdurch dehnt sich die Metallkomponente 1 aus, wodurch sich der Abstand zwischen den Befestigungsbereichen 7 vergrößert und die Faserkomponente 2 unter Spannung setzt. In diesem erwärmten und unter Spannung stehenden Zustand härtet das Matrixmaterial 9 aus und bindet dadurch die Faserkomponente 2 an die Metallkomponente 1 an, wodurch ein erwärmtes Hybridbauteil entsteht, dessen Faserkomponente 2 im warmen Zustand noch unter Spannung steht und bei der Abkühlung diese Spannung dann anschließend reduziert, bevorzugt vollständig abgebaut wird, insbesondere wenn eine Temperatur nach der Abkühlung erreicht wird, die derjenigen Temperatur entspricht, als die Faserkomponente 2 in den Befestigungsbereichen 7 an der Metallkomponente 1 befestigt wurde.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteiles (3), welches wenigstens eine erste und eine zweite Bauteilkomponente (1,2) umfasst, die verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten haben und die stoffschlüssig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass a. zumindest die erste Bauteilkomponente (1) erwärmt wird, bevorzugt beide Bauteilkomponenten (1,2) erwärmt werden und b. in der zweiten Bauteilkomponente (2), insbesondere in der mit dem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, in wenigstens einer Richtung eine mechanische Spannung erzeugt wird, insbesondere durch Ausübung wenigstens einer in wenigstens einer Richtung ziehenden Kraft (F), die an beabstandeten Bereichen dieser Bauteilkomponente (2) wirkt und c. die erste Bauteilkomponente (1) und die unter Spannung stehende zweite Bauteilkomponente (2) miteinander stoffschlüssig verbunden werden, insbesondere hiernach abkühlen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Bauteilkomponente (1,2) jeweils durch eine Metallkomponente oder jeweils durch eine Faserkomponente gebildet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bauteilkomponente durch eine Metallkomponente (1) und die zweite Bauteilkomponente (2) durch eine Faserkomponente (2) gebildet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erwärmung die Metallkomponente (1) bis über die Schmelztemperatur erwärmt wird und die unter Spannung stehende Faserkomponente (2) in die Metallschmelze eingelegt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erwärmung zumindest die erste Bauteilkomponente (1) auf eine Aushärtungstemperatur, insbesondere zwischen 100°C und 200°C, erwärmt wird, insbesondere die benötigt wird für die Aushärtung eines Verbindungsmaterials, mit welchem die unter Spannung stehende zweite Bauteilkomponente (2) mit der ersten Bauteilkomponente (1) verbunden wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungsmaterial ein Matrixmaterial eingesetzt wird, mit welchen die als zweite Bauteilkomponente (2) ausgebildete Faserkomponente (2) getränkt ist oder getränkt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Spannung in der zweiten Bauteilkomponente (2), insbesondere der Faserkomponente (2), vor der stoffschlüssigen Verbindung so eingestellt wird, dass nach der stoffschlüssigen Verbindung im wieder abgekühlten Hybridbauteil (3) eine vorbestimmte Eigenspannung vorliegt, insbesondere die Eigenspannung minimiert ist, bevorzugt gleich null ist.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bauteilkomponente (2), insbesondere die Faserkomponente (2) in zueinander beabstandeten Bereichen, insbesondere die in einer Fasererstreckungsrichtung beabstandet sind, an einem Werkzeug (4, 6a, 6b) befestigt wird, insbesondere in einem zumindest im Wesentlichen spannungslosen Zustand der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente (2), und vor der stoffschlüssigen Verbindung das Werkzeug (4, 6a, 6b) mit der daran befestigten zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente (2) erwärmt wird, wobei das Werkzeug (4, 6a, 6b) durch seine temperaturbedingte Ausdehnung die mechanische Vorspannung in der zweiten Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente (2) erzeugt, insbesondere wobei das Werkzeug (4, 6a, 6b) auf dieselbe Temperatur, insbesondere Aushärtungstemperatur erwärmt wird, wie die ersten Bauteilkomponente, insbesondere die Metallkomponente (1).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (4) durch einen Rahmen (4), bevorzugt metallischen Rahmen (4) gebildet wird, wobei die zweite Bauteilkomponente, insbesondere der Faserkomponente (2) an zumindest zwei der sich gegenüberliegenden Rahmenteilen (4a) befestigt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (4, 6a, 6b) während der Erwärmung und der damit erzeugten Längendehnung gegen ein Verbiegen durch die in der zweiten Bauteilkomponente (2), insbesondere der Faserkomponente (2) erzeugte Spannung in einer Haltevorrichtung (5a, 5b), insbesondere Presse, gesichert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für das Werkzeug (4, 6a, 6b) dasselbe Material, insbesondere Metall ausgewählt wird wie für die erste Bauteilkomponente (1), insbesondere die Metallkomponente (1), insbesondere wodurch ein eigenspannungsfreier Zustand des hergestellten Hybridbauteils (3) erzeugt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug durch die erste Bauteilkomponente (1), insbesondere Metallkomponente (1) selbst gebildet wird und die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Komponenten mit einem Verbindungsmittel, inbesondere einem Matrixmaterial, in einem Bereich zwischen den beabstandeten Befestigungsbereichen (7) erfolgt.
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