DE102018100620A1 - Bauteil aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, Verfahren zur Herstellung und dessen Verwendung - Google Patents

Bauteil aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, Verfahren zur Herstellung und dessen Verwendung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, insbesondere als Konstruktionselement für ein Luft-, Land- oder Wasserfahrzeug.Das Bauteil weist auf mindestens einer Oberfläche eine voll- oder teilflächige Schicht aus Polyetherimid aufweist, die mit dem thermoplastischen Kunststoff stoffschlüssig verbunden ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Vorform, welche die Verstärkungsfasern und den thermoplastischen Kunststoff als Matrixvorstufe enthält; voll- oder teilflächiges Aufbringen des Polyetherimids auf mindestens eine Oberfläche der Vorform; und Konsolidieren des thermoplastischen Kunststoffs durch Zufuhr von Wärmeenergie.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, insbesondere als Konstruktionselement für ein Luft-, Land- oder Wasserfahrzeug.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils sowie die Verwendung des Bauteils als Konstruktionselement, insbesondere für ein Luft-, Land- oder Wasserfahrzeug.
  • Im Fahrzeugbau, vor allem im Flugzeugbau, werden bereits seit vielen Jahren Konstruktionselemente aus faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt, die gegenüber metallischen Konstruktionselementen eine deutliche Gewichtsersparnis ermöglichen. Dabei werden sowohl thermoplastische als auch duroplastische Kunststoffe eingesetzt, wobei für die Auswahl des Kunststoffmaterials verschiedene Aspekte eine Rolle spielen. Duroplastische Konstruktionselemente sind relativ günstig in der Herstellung und daher weit verbreitet. Thermoplaste haben demgegenüber den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer Verformbarkeit leichter zu verarbeiten sind, und sie weisen gegenüber Duroplasten häufig verbesserte Eigenschaften auf (z.B. eine höhere Schlagzähigkeit, Lösemittelbeständigkeit und UV-Beständigkeit).
  • Die Verbindung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen erfolgt heutzutage meistens mechanisch, d.h. mittels Nieten oder Bolzen. Generell wäre eine stoffschlüssige Verbindung von Konstruktionselementen wünschenswert, da dies eine weitere Gewichtsersparnis ermöglichen würde und auch die Handhabung vereinfacht. Thermoplastische Bauteile können miteinander unter bestimmten Bedingungen verschweißt werden, während bei duroplastischen Bauteilen das sogenannte Co-Bonding bekannt ist, bei dem ein ausgehärtetes Bauteil mit einem noch nicht ausgehärteten Anschlussbauteil verbunden wird; bei der anschließenden Härtung des Anschlussbauteils (durch Vernetzen des Polymers) erfolgt dann ein stoffschlüssiger Verbund.
  • Problematisch stellt sich vor allem die Verbindung zweier Bauteile dar, von denen eines aus einem thermoplastischen Kunststoff und das andere aus einem duroplastischen Kunststoff besteht. Eine Verklebung solcher Bauteile ist bisher nicht mit der erforderlichen Festigkeit möglich, da die verfügbaren Klebstoffe jeweils nur gegenüber einem der Kunststofftypen eine entsprechend hohe Affinität aufweisen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff zur Verfügung zu stellen, welches mit einem duroplastischen Anschlussbauteil stoffschlüssig verbunden werden kann.
  • Diese Aufgabe wird bei dem Bauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bauteil auf mindestens einer Oberfläche eine voll- oder teilflächige Schicht aus Polyetherimid aufweist, die mit dem thermoplastischen Kunststoff stoffschlüssig verbunden ist.
  • Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass Polyetherimid (PEI) sowohl mit thermoplastischen als auch mit duroplastischen Kunststoffen eine gewisse Kompatibilität aufweist, d.h. mit beiden Kunststofftypen eine stabile stoffschlüssige Verbindung eingehen kann. Polyetherimid selbst ist ein thermoplastischer Kunststoff, der im Vergleich zu anderen Hochleistungsthermoplasten eine relativ geringe Wärmeformbeständigkeit von bis zu 190 °C aufweist, weshalb es zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff in der Regel nicht eingesetzt wird. Polyetherimid liegt überwiegend in amorpher Form vor.
  • Der thermoplastische Kunststoff, aus dem das erfindungsgemäße Bauteil hergestellt ist, ist vorzugsweise ein Polyetherketon, insbesondere ein Polyetheretherketon (PEEK). Konstruktionselemente aus PEEK werden insbesondere im Flugzeugbau eingesetzt. Die Erfindung kann aber auch bei Bauteilen aus einem Polyetherketonketon (PEKK) verwirklicht werden, oder bei Bauteilen aus anderen Hochleistungsthermoplasten wie z.B. Polyphenylensulfiden oder Polyethersulfonen.
  • Die Art der Faserverstärkung des thermoplastischen Kunststoffs ist im Rahmen der Erfindung nicht eingeschränkt. Insbesondere kann der thermoplastische Kunststoff Verstärkungsfasern umfassen, die ausgewählt sind aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und Basaltfasern. Die Verstärkungsfasern können in dem Bauteil in bekannter Weise als Gewebe, Geflecht oder Gewirk vorliegen oder als ein Uni- oder Multiaxialgelege.
  • Bereits eine relativ geringe Schichtdicke des Polyetherimids auf der mindestens einen Oberfläche des Bauteils ist im Rahmen der Erfindung ausreichend, um dieses mit einem Anschlussbauteil aus einem Duroplasten verbinden zu können. Bevorzugt weist die Schicht aus Polyetherimid eine Dicke von 100 µm bis 400 µm auf, insbesondere von 150 µm bis 300 µm. Die Schicht muss ausreichend dick sein, damit sie sich bei der Herstellung des Bauteils, die unten beschrieben wird, nicht vollständig mit dem thermoplastischen Kunststoff mischt bzw. sich in diesem auflöst.
  • Die Schicht aus Polyetherimid kann im Rahmen der Erfindung voll- oder teilflächig auf die betreffende(n) Oberfläche(n) des Bauteils aufgebracht sein, je nachdem, welcher Bereich dieser Oberfläche für eine Verbindung mit einem Anschlussbauteil vorgesehen ist. In der Praxis kann es je nach Anwendungsfall sinnvoll sein, eine oder mehrere Oberflächen des Bauteils vollflächig mit dem Polyetherimid zu beschichten, wenn das Bauteil vollflächig verbunden werden soll oder der spätere Verbindungsbereich noch nicht bekannt ist, oder gezielt nur den oder die Bereiche zu beschichten, die für eine Verbindung vorgesehen sind.
  • Die Schicht aus Polyetherimid wird günstigerweise im Zuge der Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils auf die betreffende(n) Oberfläche(n) aufgebracht, um eine feste stoffschlüssige Verbindung des Polyetherimids mit dem thermoplastischen Kunststoff (z.B. PEEK) zu erzeugen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    • - Bereitstellen einer Vorform, welche die Verstärkungsfasern und den thermoplastischen Kunststoff als Matrixvorstufe enthält;
    • - voll- oder teilflächiges Aufbringen des Polyetherimids auf mindestens eine Oberfläche der Vorform; und
    • - Konsolidieren des thermoplastischen Kunststoffs durch Zufuhr von Wärmeenergie.
  • Beim Konsolidieren des thermoplastischen Kunststoffs wird somit das Polyetherimid auf die Oberfläche des hergestellten Bauteils aufgeschmolzen und dadurch stoffschlüssig mit dem thermoplastischen Kunststoff verbunden.
  • Die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen durch Konsolidieren von Verstärkungsfasern mit einer Matrixvorstufe ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die Matrixvorstufe liegt dabei bevorzugt in Form von Folien, Fäden oder Partikeln des thermoplastischen Kunststoffs vor, oder in Form einer Beschichtung der Verstärkungsfasern mit dem thermoplastischen Kunststoff.
  • Das Polyetherimid wird, ähnlich wie die Matrixvorstufe, vorzugsweise in Form einer Folie oder in Form von Partikeln auf die mindestens eine Oberfläche der Vorform aufgebracht.
  • Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Bauteils als Konstruktionselement, insbesondere für ein Luft-, Land- oder Wasserfahrzeug.
  • Bei einer bevorzugten Verwendung wird das Bauteil über die mindestens eine Schicht aus Polyetherimid mit einem oder mehreren Anschlussbauteilen aus einem faserverstärkten Duroplasten stoffschlüssig verbunden. Alternativ kann das erfindungsgemäße Bauteil aber auch mit anderen Konstruktionselementen verbunden werden, z.B. mit einem weiteren Bauteil aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, oder auch mit einem Bauteil aus einem keramischen Faserverbundmaterial.
  • Der Duroplast des Anschlussbauteils ist bevorzugt ausgewählt aus vernetzten Epoxidharzen, Acrylharzen, Phenolharzen und ungesättigten Polyesterharzen. Konstruktionselemente aus diesen Materialien werden hergestellt, indem Verstärkungsfasern in ein Präpolymer (Harz) eingebettet werden und das Präpolymer zu dem Duroplasten vernetzt wird, insbesondere durch Wärme. Die Verstärkungsfasern können bereits mit dem Präpolymer imprägniert sein (sog. Prepreg), oder sie werden als Vorform mit dem Präpolymer infiltriert (Harzinjektionsverfahren).
  • Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem erfindungsgemäßen Bauteil und dem Anschlussbauteil kann insbesondere auf zwei verschiedene Arten hergestellt werden, die im Folgenden beschrieben sind.
  • Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung wird die stoffschlüssige Verbindung hergestellt durch Inkontaktbringen der Schicht aus Polyetherimid mit dem Anschlussbauteil vor dem Vernetzen des Duroplasten. Beim Vernetzen des Duroplasten durch Wärmezufuhr wird dann das Polyetherimid mindestens teilweise geschmolzen, d.h. es verschmilzt bzw. verklebt mit dem vernetzten (ausgehärteten) Duroplasten, wobei die entstehende Verbindung eine überraschend hohe Festigkeit aufweist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung wird die stoffschlüssige Verbindung hergestellt durch Verkleben der Schicht aus Polyetherimid mit dem Anschlussbauteil nach dem Vernetzen des Duroplasten mittels eines duroplastischen Klebstoffs. Der duroplastische Klebstoff wird in der Regel ebenfalls durch Wärmezufuhr vernetzt, so dass sich auch in diesem Fall eine stoffschlüssige Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Bauteil durch Anschmelzen des Polyetherimids ergibt. Eine gute stoffschlüssige Verbindung ergibt sich auch zwischen dem duroplastischen Klebstoff und dem Duroplasten des Anschlussbauteils, da es sich um ähnliche Systeme handelt.
  • Vorzugsweise umfasst der duroplastische Klebstoff dasselbe Präpolymer wie der Duroplast des Anschlussbauteils. Auf diese Weise wird eine hohe Kompatibilität zwischen dem Anschlussbauteil und dem Klebstoff sichergestellt.
  • Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich unabhängig von der Geometrie des erfindungsgemäßen Bauteils und des Anschlussbauteils, d.h. die Erfindung kann bei jeglichen Arten von Bauteilen bzw. Konstruktionselementen verwirklicht werden.
  • Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung im Bereich des Flugzeugbaus eingesetzt werden, wo die Verbindung von faserverstärkten Kunststoffen von großer Bedeutung ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Anschlussbauteil ein Teil der Außenhaut eines Luft-, Land- oder Wasserfahrzeugs und das erfindungsgemäße Bauteil ist ein stabilisierendes Konstruktionselement, wie z.B. ein Stringer oder ein Spant.
  • Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen im Einzelnen:
    • 1: eine schematische Darstellung einer Vorform zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils;
    • 2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils;
    • 3: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Bauteils und eines zu verbindenden Anschlussbauteils vor dem Vernetzen; und
    • 4: eine schematische Darstellung des mit dem Anschlussbauteil verbundenen erfindungsgemäßen Bauteils.
  • Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorform 10 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils. Die Vorform 10 enthält Verstärkungsfasern 12 in Form von mehreren Lagen eines Gewebes, sowie einen thermoplastischen Kunststoff als Matrixvorstufe 14 in Form von Partikeln, die zwischen den Lagen der Verstärkungsfasern 12 angeordnet sind.
  • Der thermoplastische Kunststoff ist insbesondere ein Polyetheretherketon (PEEK). Beispielsweise kann das Produkt APC-2-PEEK eingesetzt werden, das von der Cytec Solvay Group angeboten wird. Bei den Verstärkungsfasern 12 handelt es sich insbesondere um Glasfasern oder Kohlenstofffasern.
  • Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird auf eine Oberfläche 16 der Vorform 10 ein Polyetherimid aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das Aufbringen vollflächig, es kann aber auch nur auf einen Teil der Oberfläche 16 aufgebracht werden. Das Polyetherimid wird hier in Form einer Folie 18 auf die Oberfläche 16 aufgebracht.
  • Die 2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Bauteil 20, welches durch Konsolidieren des thermoplastischen Kunststoffs der Matrixvorstufe 14 aus der Vorform 10 erhalten wird. Das Bauteil 20 besteht insbesondere aus glasfaserverstärktem oder kohlenstofffaserverstärktem Polyetheretherketon. Auf der Oberfläche 16 weist das Bauteil 20 eine vollflächige Schicht 22 aus Polyetherimid auf, die bei der Konsolidierung des thermoplastischen Kunststoffs angeschmolzen wurde und dadurch stoffschlüssig mit diesem verbunden ist. Als Polyetherimid kann z.B. das Produkt Ultem® eingesetzt werden, das von der Polytron Kunststofftechnik GmbH & Co. KG angeboten wird.
  • Die in den Figuren dargestellte Dicke der Schicht 22 ist nicht maßstäblich, in der Realität kann die Schichtdicke des Polyetherimids z.B. 200 µm betragen.
  • Die 3 zeigt schematisch die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils 20 zum Verbinden mit einem duroplastischen Anschlussbauteil 30, welches zunächst noch nicht vernetzt ist. Das nicht vernetzte Anschlussbauteil 30 umfasst Verstärkungsfasern 32, insbesondere Glas- oder Kohlenstofffasern, sowie ein Präpolymer 34, insbesondere ein Epoxidharz. Als Epoxidharz kann z.B. das Produkt HexFlow® RTM6 eingesetzt werden, das von der Hexcel Corporation angeboten wird.
  • Die Schicht 22 aus Polyetherimid des erfindungsgemäßen Bauteils 20 wird mit dem faserverstärkten duroplastischen Anschlussbauteil 30 vor dem Vernetzen in Kontakt gebracht. Während des Vernetzens durch Zufuhr von Wärmeenergie wird das Polyetherimid angeschmolzen und geht eine stoffschlüssige Verbindung mit dem duroplastischen Kunststoff des Anschlussbauteils 30 ein.
  • In der 4 sind die miteinander verbundenen Bauteile 20 und 30 schematisch dargestellt. Die Schicht 22 aus Polyetherimid ist sowohl mit dem thermoplastischen Kunststoff des erfindungsgemäßen Bauteils 20 als auch mit dem duroplastischen Kunststoff des Anschlussbauteils 30 kompatibel, so dass eine feste stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen ermöglicht wird.
  • Bei einer praktischen Anwendung der Erfindung im Flugzeugbau kann das Bauteil 20 eine Schale aus faserverstärktem PEEK oder PEKK für die Außenhaut eines Flugzeugrumpfes sein, z.B. mit einer typischen Abmessung von ca. 800 x 1200 mm. Auf die Innenseite dieser Schale wird vor dem Konsolidieren eine Folie aus amorphem PEI aufgebracht.
  • Als Anschlussbauteile 30 fungieren dann mehrere Versteifungselemente (Stringer und/oder Spanten) aus einem faserverstärkten Duroplasten wie z.B. Epoxidharz, die vor dem Vernetzen des Harzes an den vorgesehenen Positionen entlang der Innenseite der Schale angeordnet werden. Während der Vernetzung des Harzes durch Wärmezufuhr ergibt sich, wie oben beschrieben, ein stoffschlüssiger Verbund zwischen der PEI-Schicht und dem ausgehärteten Duroplasten.
  • Ebenso ist auch der umgekehrte Anwendungsfall möglich, bei dem die Schale aus Epoxidharz oder einem anderen Duroplasten besteht und die Versteifungselemente aus faserverstärktem PEEK oder PEKK mit der vor dem Konsolidieren aufgebrachten PEI-Folie.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorform
    12
    Verstärkungsfasern
    14
    Matrixvorstufe
    16
    Oberfläche
    18
    Folie aus PEI
    20
    Bauteil
    22
    Schicht aus PEI
    30
    Anschlussbauteil
    32
    Verstärkungsfasern
    34
    Präpolymer

Claims (15)

  1. Bauteil (20) aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, insbesondere als Konstruktionselement für ein Luft-, Land- oder Wasserfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (20) auf mindestens einer Oberfläche (16) eine voll- oder teilflächige Schicht (22) aus Polyetherimid aufweist, die mit dem thermoplastischen Kunststoff stoffschlüssig verbunden ist.
  2. Bauteil (20) nach Anspruch 1, wobei der thermoplastische Kunststoff ein Polyetherketon ist, insbesondere ein Polyetheretherketon (PEEK).
  3. Bauteil (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der thermoplastischen Kunststoff Verstärkungsfasern (12) umfasst, die ausgewählt sind aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und Basaltfasern.
  4. Bauteil (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schicht (22) aus Polyetherimid eine Dicke von 100 bis 400 µm aufweist, bevorzugt von 150 bis 300 µm.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer Vorform (10), welche die Verstärkungsfasern (12) und den thermoplastischen Kunststoff als Matrixvorstufe (14) enthält; - voll- oder teilflächiges Aufbringen des Polyetherimids auf mindestens eine Oberfläche (16) der Vorform (10); und - Konsolidieren des thermoplastischen Kunststoffs durch Zufuhr von Wärmeenergie.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Matrixvorstufe (14) in Form von Folien, Fäden oder Partikeln des thermoplastischen Kunststoffs vorliegt, oder in Form einer Beschichtung der Verstärkungsfasern (12) mit dem thermoplastischen Kunststoff.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Polyetherimid in Form einer Folie (18) oder in Form von Partikeln auf die mindestens eine Oberfläche (16) der Vorform (10) aufgebracht wird.
  8. Verwendung eines Bauteils (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Konstruktionselement, insbesondere für ein Luft-, Land- oder Wasserfahrzeug.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei das Bauteil (20) über die Schicht (22) aus Polyetherimid mit einem oder mehreren Anschlussbauteilen (30) aus einem faserverstärkten Duroplasten stoffschlüssig verbunden wird.
  10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Durpolast ausgewählt ist aus vernetzten Epoxidharzen, Acrylharzen, Phenolharzen und ungesättigten Polyesterharzen.
  11. Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird durch Inkontaktbringen der Schicht (22) aus Polyetherimid mit dem Anschlussbauteil (30) vor dem Vernetzen des Duroplasten.
  12. Verwendung nach Anspruch 11, wobei das Polyetherimid beim Vernetzen des Duroplasten mindestens teilweise schmilzt.
  13. Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird durch Verkleben der Schicht (22) aus Polyetherimid mit dem Anschlussbauteil (30) nach dem Vernetzen des Duroplasten mittels eines duroplastischen Klebstoffs.
  14. Verwendung nach Anspruch 13, wobei der duroplastischen Klebstoff dasselbe Präpolymer umfasst wie der Duroplast des Anschlussbauteils (30).
  15. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei das Anschlussbauteil (30) ein Teil der Außenhaut eines Luft-, Land- oder Wasserfahrzeugs ist, und das Bauteil (20) ein stabilisierendes Konstruktionselement, wie z.B. ein Stringer.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0320155A2 (de) * 1987-12-10 1989-06-14 Imperial Chemical Industries Plc Anordnung aus faserverstärktem thermoplastischem Verbundwerkstoff
DE102010007824A1 (de) * 2010-02-11 2011-08-11 Technische Universität Clausthal, 38678 Verfahren zum Fügen und zur Herstellung von Kohlenstofffaserverbundbauteilen

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