DE102018109488B4

DE102018109488B4 - Verfahren zum klebenden Fügen eines ersten und zweiten Fügepartners

Info

Publication number: DE102018109488B4
Application number: DE102018109488.4A
Authority: DE
Inventors: Heino Assing; Roger Stranz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2038-04-21
Also published as: DE102018109488A1; DE102018109488B8

Abstract

Verfahren zum klebenden Fügen eines ersten Fügepartners (11), der einen ersten Werkstoff enthält oder aus einem solchen besteht, mit wenigstens einem zweiten Fügepartner (12), der einen von dem ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff enthält oder aus einem solchen besteht, mittels eines Klebwerkstoffes (13), der durch Temperierung zumindest einmal plastisch verformbar wird und anschließend nach dem Abkühlen eine Klebverbindung zwischen dem ersten Fügepartner (11) und dem wenigstens zweiten Fügepartner (12) bildet, zur Herstellung eines hybriden Bauteils (10), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Bereitstellen des ersten Fügepartners (11) und des wenigstens zweiten Fügepartners (12), wobei der erste Werkstoff des ersten Fügepartners (11) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als der zweite Werkstoff des zweiten Fügepartners (12) und wobei wenigstens einer der Fügepartner (11, 12) an seiner jeweiligen Fügefläche den Klebwerkstoff (13) aufweist oder enthält; und- Erwärmen des ersten Fügepartners (11), des zweiten Fügepartners (12) und des Klebwerkstoffes (13);- wobei der erste Werkstoff ein Faserverbundwerkstoff mit einem Fasermaterial und einem Matrixmaterial ist und der zweite Werkstoff ein Metallwerkstoff ist; dadurch gekennzeichnet, dass- die beiden Fügepartner (11, 12) voneinander unabhängig und mit einem voneinander verschieden Temperaturverlauf temperiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum klebenden Fügen eines ersten Fügepartners mit wenigstens einem zweiten Fügepartner mittels eines Klebwerkstoffes zur Herstellung eines hybriden Bauteils.
Das stoffschlüssige Verbinden (klebendes Fügen) hat gegenüber einer form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung in der Regel den Vorteil, dass in die Fügepartner in der Regel keine Verbindungselemente eingebracht werden müssen, wie beispielsweise Bolzen oder Schraubverbindungen. Lediglich die Fügeflächen müssen entsprechend vorbereitet werden, dass der Klebwerkstoff, mit dem die beiden Fügepartner klebend miteinander verbunden werden sollen, an den jeweiligen Fügeflächen haftet und so die beiden Fügepartner miteinander verbindet.
Oftmals besteht eine Anforderung beim Herstellen eines Bauteils darin, zwei Fügepartner klebend miteinander zu verbinden, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen oder solche unterschiedlichen Werkstoffe aufweisen. Der erste Fügepartner unterscheidet sich dabei hinsichtlich seiner Materialauswahl oder Materialzusammensetzung von dem Material oder der Materialzusammensetzung des zweiten Fügepartners, so dass der verwendete Klebwerkstoff sowohl an das Material bzw. die Materialzusammensetzung des ersten Fügepartners als auch an das Material bzw. die Materialzusammensetzung des zweiten Fügepartners angepasst sein muss. Je nach Material bzw. Materialzusammensetzung der einzelnen Fügepartner müssen dabei verschiedene Wechselwirkungen der Inhaltsstoffe des Klebwerkstoffes berücksichtigt werden, um eine optimale klebende Verbindung der Fügepartner zu erreichen.
Nicht selten werden für eine klebende Verbindung thermisch aktivierbare Klebwerkstoffe verwendet, wie beispielsweise Thermoplast-Werkstoffe oder Duroplast-Werkstoffe. Derartige Werkstoffe werden dabei in der Regel bis auf eine Aktivierungstemperatur erwärmt und anschließend wieder abgekühlt, wobei während des Abkühlvorgangs an der Grenzschicht zwischen dem jeweiligen Fügepartner und dem Klebwerkstoff eine Kristallisationsstruktur ausgebildet wird, die eine adhäsive Eigenschaft ausbildet und somit den Fügepartner mit dem thermisch aktivierbaren Werkstoff entsprechend stoffschlüssig verbindet. Hierfür müssen in der Regel jedoch die jeweiligen Fügepartner entsprechend erwärmt und zusammen mit dem thermisch aktivierbaren Werkstoff abgekühlt werden, um eine entsprechende adhäsive Eigenschaft zwischen dem Klebwerkstoff und dem jeweiligen Fügepartner ausbilden zu können.
Unter einem thermisch aktivierbaren Klebwerkstoff wird dabei insbesondere ein Werkstoff verstanden, der durch Temperierung zumindest einmal plastisch verformbar wird und somit eine gewisse Fließfähigkeit (Zähflüssigkeit) bildet und anschließend nach dem Abkühlen eine Klebverbindung zwischen den jeweiligen Fügepartner ausbilden kann. Ein solcher thermisch aktivierbarer Werkstoff kann, wie bereits angesprochen, ein thermoplastischer Werkstoff oder ein duroplastischer Werkstoff sein.
Sollen hybride Bauteile mithilfe eines thermisch aktivierbaren Klebwerkstoffes aus mindestens zwei Fügepartnern hergestellt werden, die jeweils eine unterschiedliche Materialzusammensetzung bzw. ein jeweils unterschiedliches Material aufweisen, so kann es aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Wärmeausdehnungskoeffizient, Längenausdehnungskoeffizient) des einzelnen Fügepartners zu Eigenspannungen in den Fügezonen nach dem Abkühlen kommen. Denn bedingt durch die Eigenschaft der thermischen Aktivierbarkeit und somit der zwingenden Temperierung des Klebwerkstoffes müssen beide Fügepartner in der Regel ebenfalls erwärmt werden, vorteilhafterweise bis zur Aktivierungstemperatur des jeweiligen Klebwerkstoffes, um eine entsprechende adhäsive Fähigkeit des Klebwerkstoffes an den Fügeflächen der Fügepartner zu bewirken. Aufgrund der materialbedingten unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dehnen sich die beiden Fügepartner beim gemeinsamen Erwärmen jedoch unterschiedlich stark aus und schrumpfen darüber hinaus auch unterschiedlich stark beim Abkühlen wieder zusammen, was während des Aushärtens des Klebwerkstoffes zu Eigenspannungen im Fügebereich bzw. der Fügezonen führt, was die Klebverbindung negativ belasten kann.
Bei der Herstellung von hybriden Bauteilen aus einem Faserverbund-Fügepartner einerseits und einem metallischen Fügepartner andererseits wird zur Vermeidung der entstehenden Eigenspannungen in der Praxis manchmal der oder die Fügepartner mechanisch vorgespannt, so dass nach dem Abkühlen zwar eine Rest-Eigenspannung verbleibt, die sich jedoch nicht form- bzw. geometrieverändernd auf das herzustellende Bauteil auswirkt. Allerdings lässt sich das Konzept des mechanischen Vorspannens eines der Fügepartner bei Geometrien, welche von ebenen Platten abweichen, nahezu technisch nicht umsetzen. Damit kann diese Technik für die meisten Bauteile, welche Krümmungen in der Geometrie aufweisen, nicht eingesetzt werden.
Aus der DE 32 45 553 A1 ist ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden von Konstruktionsteilen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bekannt, wobei sich eines der beiden miteinander zu verbindenden Konstruktionsteile vor Aufbringen des Klebstoffes im erhitzten Zustand befindet.
Die JP H10- 71 685 A offenbart das Verkleben zweier thermoplastischer Platten, wobei die thermoplastischen Platten jeweils voneinander verschiedene Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dabei ist vorgesehen, dass die Temperatur der einen Platte während des Verklebens höher ist als die Temperatur der anderen Platte.
Die US 8 747 606 B2 offenbart das Verkleben zweier Bauteile, wobei auch hier Rücksicht auf die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten genommen wird. Allerdings wird hierbei der Klebstoff derart modifiziert, dass mögliche Deformationskräfte durch die Klebschicht aufgenommen werden.
Die DE 10 2013 223 164 A1 offenbart schließlich das verkleben zweier Substrate mittels eines Bindemittels, wobei auch hier lediglich einer der beiden Fügepartner temperiert werden soll. Somit ist auch die D4 für die Beurteilung der Neuheit und erfinderischen Tätigkeit nicht relevant.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem zwei Fügepartner, bestehend aus unterschiedlichen Materialien bzw. Werkstoffen, klebend mit einem thermisch aktivierbaren Klebstoff gefügt werden können, während gleichzeitig die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entstehenden Eigenspannungen reduziert, minimiert oder gänzlich eliminiert werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zum klebenden Fügen eines ersten Fügepartners, der einen ersten Werkstoff enthält und aus einem solchen besteht, mit wenigstens einem zweiten Fügepartner, der einen von dem ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff enthält oder aus einem solchen besteht, mittels eines Klebwerkstoffes vorgeschlagen, wobei der Klebwerkstoff durch Temperierung zumindest einmal plastisch verformbar wird und anschließend nach dem Abkühlen eine Klebverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner bildet. Mit dem gattungsgemäßen vorgeschlagenen Verfahren können somit hybride Bauteile aus zwei unterschiedlichen Fügepartnern durch klebendes Fügen hergestellt werden.
Bei dem Klebwerkstoff handelt es sich gattungsgemäß um einen Werkstoff, der durch wenigstens einmaliges Erwärmen und anschließendes Abkühlen aushärtet und somit eine adhäsive Verbindung mit den jeweiligen Fügepartnern an den Fügeflächen eingeht und somit die Klebverbindung herstellt. Ein solcher Klebwerkstoff kann beispielsweise ein Thermoplast oder ein Duroplast sein.
In einem ersten Verfahrensschritt werden dabei die beiden Fügepartner entsprechend bereitgestellt, wobei der erste Werkstoff des ersten Fügepartners einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als der zweite Werkstoff des zweiten Fügepartners, was materialbedingt durch den verwendeten Werkstoff entsprechend vorgegeben ist. Wenigstens einer der Fügepartner weist dabei an seiner jeweiligen Fügefläche den Klebwerkstoff auf oder enthält diesen Klebwerkstoff, um die beiden Fügepartner mithilfe des Klebwerkstoffes klebend miteinander zu verbinden.
Dabei ist es denkbar, dass in einem vorangegangenen Verfahrensschritt der an der Fügefläche des jeweiligen Fügepartners enthaltene Klebwerkstoff aufgetragen wird und dann bereitgestellt wird. Denkbar ist es aber auch, dass der Klebwerkstoff integraler Bestandteil des Werkstoffes eines der Fügepartner ist, wie dies beispielsweise bei einem Faserverbundwerkstoff in Form eines Matrixmaterials der Fall sein kann, so dass durch Bereitstellen des jeweiligen Fügepartners auch gleichzeitig der Klebwerkstoff an der jeweiligen Fügefläche des Fügepartners mit bereitgestellt wird.
Anschließend werden der erste Fügepartner, der wenigstens zweite Fügepartner sowie der Klebwerkstoff erwärmt, um so die beiden Fügepartner mittels des Klebwerkstoffes klebend miteinander zu verbinden.
Dieses gattungsgemäße Fügeverfahren wird nun erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die beiden Fügepartner mit einem voneinander verschiedenen Temperaturverlauf temperiert werden.
Mit anderen Worten, durch die voneinander verschiedene Temperierung weisen beide Fügepartner spätestens ab einem gewissen Zeitpunkt einen voneinander verschiedenen Temperaturverlauf auf, d.h. die beiden Fügepartner haben eine voneinander verschiedene Temperatur, die ausgehend von einem der Fügepartner um mindestens 10 %, vorzugsweise mehr als 20 % abweichen kann (über den gesamten Temperaturverlauf).
Im Gegensatz zu der mechanischen Vorspannung können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch geometrisch komplexe Fügepartner thermisch vorgespannt werden, wodurch der Einsatzbereich der thermisch aushärtenden Klebverbindungen deutlich erweitert wird. Außerdem haben die Erfinder erkannt, dass durch einen verschiedenen Temperaturverlauf der beiden Fügepartner, der bspw. mit einer unabhängigen und voneinander verschiedenen Temperierung einhergeht, die Eigenspannung aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten reduziert und je nach Material gänzlich minimiert werden können, wodurch die Fügezonen und die Klebverbindungen in dem späteren Bauteil weniger negativ belastet werden.
Der Temperaturverlauf der beiden Fügepartner kann dabei anfänglich innerhalb einer gewissen Toleranz identisch sein und ab erreichen einer gewissen Temperatur bzw. ab einem gewissen Zeitpunkt erst voneinander abweichen. Die Temperaturverläufe unterscheiden sich dann erst ab diesem Zeitpunkt, so dass insgesamt über den gesamten Temperierprozess die beiden Fügepartner mit einem voneinander verschiedenen Temperaturverlauf temperiert werden. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass beide Fügepartner von Beginn des Temperierprozesses an verschieden voneinander temperiert werden, so dass sich bereits anfänglich eine Temperaturdifferenz einstellt.
Demzufolge ist es von der vorliegenden Erfindung umfasst, dass die beiden Fügepartner innerhalb eines zeitlichen Teilabschnittes mit einem voneinander verschiedenen Temperaturverlauf temperiert werden.
Unter einem voneinander verschiedenen Temperaturverlauf wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Temperatur des ersten Fügepartner zumindest Abschnittsweise innerhalb des gesamten Temperierprozesses von der Temperatur des zweiten Fügepartners abweicht. Die Temperaturverläufe der beiden Fügepartner unterscheiden sich demnach über den gesamten Temperaturprozess hinweg zumindest in einem Teilabschnitt, vorzugsweise im letzten Teilabschnitt, und können vorzugsweise am Anfang identisch sein.
Erfindungsgemäß werden die beiden Fügepartner voneinander unabhängig temperiert. Hierdurch kann ein voneinander verschiedener Temperaturverlauf besser realisiert werden. Dabei ist es denkbar, dass der erste Fügepartner mit einer ersten Temperiereinrichtung unabhängig von dem zweiten Fügepartner temperiert wird, der mit einer zweiten Temperiereinrichtung temperiert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die beiden Fügepartner ab einem gewissen Zeitpunkt an mit einem voneinander verschiedenen Temperaturverlauf temperiert. Dieser gewisse Zeitpunkt kann vorteilhafterweise derjenige Zeitpunkt sein, ab dem der Klebwerkstoff seine Schmelztemperatur und/oder seine Aktivierungstemperatur erreicht hat oder ab dem der Klebwerkstoff eine Temperatur erreicht hat, ab dem der Klebwerkstoff plastisch verformbar ist oder wird. So wird vorzugsweise bei Thermoplastwerkstoffen auf die Schmelztemperatur abgestellt, während bei Duroplastwerkstoffen vorzugsweise auf die Aktivierungstemperatur abgestellt wird.
Spätestens nach dem Zeitpunkt meint hierbei, dass erst nach diesem Zeitpunkt die Fügepartner mit einem voneinander verschieden Temperaturverlauf temperiert werden, wobei dies nicht unmittelbar ab diesem Zeitpunkt erfolgen muss.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Fügepartner ab einem ersten Zeitpunkt derart insbesondere unabhängig und verschieden voneinander temperiert, dass die Temperatur des zweiten Fügepartners relativ zu der Temperatur des ersten Fügepartners bis zu einem auf den ersten Zeitpunkt folgenden zweiten Zeitpunkt sinkt. Dies bedeutet, dass die Temperatur des zweiten Fügepartners, der eine höhere thermische Wärmeausdehnung hat als der erste Fügepartner, stärker abgekühlt wird, als der erste Fügepartner, so dass die aufgrund der Erwärmung erzeugte Längenausdehnung rückgängig gemacht wird. Während dieser Zeit wird jedoch der erste Fügepartner nicht so stark abgekühlt bzw. weiter temperiert, wodurch der Klebwerkstoff weiterhin plastisch verformbar bleibt und so die Längenausdehnung des zweiten Fügepartners kompensieren kann. Dabei wurde erkannt, dass sich beim aktiven Tempern des zweiten Fügepartners dahingehend, dass die Temperatur gegenüber dem ersten Fügepartner sinkt, erreicht werden kann, dass der zweite Fügepartner seine Längenausdehnung in einem gewissen Maße rückgängig machen kann, ohne dass dies die Klebverbindung negativ beeinträchtigt. Vielmehr wurde erkannt, dass sich dadurch die Eigenspannung innerhalb der Fügezone reduzieren lässt, da der zweite Fügepartner zu dem Zeitpunkt, wohl der Klebwerkstoff schließlich vollständig aushärtet und seine adhäsive Eigenschaft an der Fügefläche des zweiten Fügepartners ausbildet, seine aus der vorhergehenden Erwärmung resultierende Ausdehnung größtenteils durch Temperaturabsenkung rückgängig gemacht hat.
Demzufolge ist es vorteilhaft, wenn der erste Fügepartner und der zweite Fügepartner unabhängig und verschieden voneinander ab dem ersten Zeitpunkt so getempert werden, dass die Temperatur des zweiten Fügepartners gegenüber der Temperatur des ersten Fügepartners sinkt bzw. fällt. Dies kann beispielsweise durch eine Reduzierung des Wärmeeintrages in den zweiten Fügepartner erfolgen, während der erste Fügepartner einen höheren Wärmeeintrag hierzu erhält, oder durch eine aktive Kühlung.
Hierbei ist es nun ganz besonders vorteilhaft, wenn der zweite Fügepartner ab dem ersten Zeitpunkt aktiv durch eine Kühleinrichtung gekühlt wird, so dass dem zweiten Fügepartner aktiv Wärme entzogen wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass der zweite Fügepartner sehr schnell seine vollzogene Ausdehnung rückgängig macht, während der Klebwerkstoff noch nicht ausgehärtet ist und demzufolge noch plastisch verformbar ist. Da der erste Fügepartner weiterhin eine höhere Temperatur als der zweite Fügepartner aufweist, entsteht im Grenzbereich der Klebverbindung eine für den Klebwerkstoff vorteilhafte Wärmezone, die ein Verkleben des ersten Fügepartners mit dem zweiten Fügepartner bewirkt, während jedoch die Wärmeausdehnung des zweiten Fügepartners insgesamt gegenüber einer vollständigen Erwärmung deutlich reduziert ist und somit die Eigenspannung innerhalb der Fügezone nach dem Aushärten des Klebwerkstoffes minimiert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die beiden Fügepartner derart insbesondere unabhängig und verschieden voneinander temperiert, dass zwischen den Fügepartnern ein Temperaturgradient bezüglich der Temperatur der Fügepartner gebildet wird. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Temperaturgradient ausgehend von einem ersten Zeitpunkt bis zu einem auf den ersten Zeitpunkt folgenden zweiten Zeitpunkt immer größer wird, um so insbesondere zu erreichen, dass die Wärmeausdehnung bedingt durch das Temperieren der Fügepartner verringert und somit die spätere Eigenspannung in der Fügezone reduziert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der zweite Werkstoff des zweiten Fügepartners einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der mindestens doppelt so groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Werkstoffes des ersten Fügepartners.
Erfindungsgemäß ist der erste Werkstoff ein Faserverbundwerkstoff mit einem Fasermaterial und einem Matrixmaterial. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der zweite Werkstoff ein Metallwerkstoff sein.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes ein thermoplastischer Kunststoff ist, der insbesondere auch als Klebwerkstoff zum Fügen der beiden Fügepartner Anwendung findet. Denkbar ist selbstverständlich auch ein duroplastischer Kunststoff als Matrixmaterial, der ebenfalls auch als Klebwerkstoff verwendet werden kann.
Dabei ist es denkbar, dass der thermoplastische oder duroplastische Kunststoff, der für das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes verwendet wird, gleichzeitig sowohl Matrixmaterial als auch Klebwerkstoff darstellt, wobei es sich bei dem ersten Fügepartner, der aus einem solchen Faserverbundwerkstoff gebildet ist, beispielsweise um ein Prepregmaterial handeln kann, bei dem das Matrixmaterial bereits in das Fasermaterial vorimprägniert ist. Dieses bereits vorimprägnierte Matrixmaterial, beispielsweise in Form eines duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffes, wird dann gleichzeitig auch als Klebwerkstoff zum Kleben und Fügen des zweiten Fügepartners verwendet, ohne dass ein zusätzlicher Auftrag oder Eintrag eines Klebwerkstoffes erfolgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es dabei denkbar, dass der erste Fügepartner mit dem zweiten Fügepartner während des Temperierens unter Druckbeaufschlagung miteinander verpresst werden, um so die Qualität der Klebverbindung zu erhöhen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 - Schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform;
2 - Darstellung der Temperaturverläufe;
3 - Schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform;
4 - Schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform.

1 zeigt schematisch stark vereinfacht die Herstellung eines hybriden Bauteils 10, das durch Verkleben eines ersten Fügepartners 11 mit einem zweiten Fügepartner 12 hergestellt wird. Zwischen dem ersten Fügepartner 11 und dem zweiten Fügepartner 12 ist ein Klebwerkstoff 13 vorgesehen, der nach dem Aushärten die spätere Klebverbindung zwischen dem ersten Fügepartner 11 und dem zweiten Fügepartner 12 bilden soll.
Der Klebwerkstoff 13 kann beispielsweise ein Thermoplast oder ein Duroplast sein. Der Klebwerkstoff ist insbesondere so ausgebildet, dass er durch Temperierung zumindest einmal plastisch verformbar wird und anschließend nach dem Abkühlen eine Klebverbindung zwischen dem ersten Fügepartner 11 und dem zweiten Fügepartner 12 bildet.
Im Ausführungsbeispiel der 1 kann der erste Fügepartner 11 aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet sein, der ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial enthält. Ein solches Fasermaterial weist dabei einen sehr geringen bzw. kleinen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass bei einer entsprechenden Temperierung des ersten Fügepartners 11 eine nur sehr geringe Wärmeausdehnung im Verhältnis zum zweiten Fügepartner stattfindet. Der erste Fügepartner 11, der aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, weist dabei vorzugsweise bereits die spätere Geometrie auf, wobei das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial im Ausführungsbeispiel der 1 vorbenetzt bzw. vorimprägniert ist. Demzufolge wurden sogenannte Prepregs verwendet. Denkbar ist dabei, dass der Klebwerkstoff 13 dann ausschließlich durch das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes bereitgestellt wird. Denkbar ist aber auch, dass zusätzlich zu dem bereits bestehenden Matrixmaterial in dem ersten Fügepartner 11 ein weiterer Klebwerkstoff aufgetragen wird. Werden trockene Fasermaterialien verwendet, so muss der Klebwerkstoff zusätzlich in die Fügezone eingebracht werden.
Der zweite Fügepartner 12 kann im Ausführungsbeispiel der 1 einen metallischen Werkstoff aufweisen oder aus einem solchen bestehen, so dass durch das Verbinden des ersten Fügepartners 11 mit dem zweiten Fügepartner 12 ein Faserverbund-Metallhybridbauteil durch Verkleben hergestellt werden soll.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass sowohl der erste Fügepartner 11 als auch der zweite Fügepartner 12 jeweils separat und unabhängig voneinander temperiert werden. Hierfür ist im Ausführungsbeispiel der 1 ein erstes Heizelement 21 vorgesehen, das auf den ersten Fügepartner 11 ausgerichtet ist und zum Erwärmen des ersten Fügepartners 11 ausgebildet ist. Korrespondierend hierzu ist auf den zweiten Fügepartner 12 ein zweites Heizelement 22 ausgerichtet, das zum Temperieren des zweiten Fügepartners 12 ausgebildet ist. Sowohl das erste Heizelement als auch das zweite Heizelement können beispielsweise Infrarotstrahler sein. Denkbar ist aber auch, dass eines der Heizelemente eine Heizmatte ist, die beispielsweise in Form einer elektrischen Widerstandsheizung zum Temperieren des jeweiligen Fügepartners ausgebildet ist.
Sowohl das erste als auch das zweite Heizelement stehen dabei mit einer Steuereinrichtung 30 in Verbindung, die ausgebildet ist, das jeweilige Heizelement separat von dem jeweils anderen Heizelement anzusteuern. Um nun eine Klebverbindung zwischen dem ersten Fügepartner 11 und dem zweiten Fügepartner 12 herzustellen, werden zunächst beide Fügepartner 11 und 12 mittels ihrer entsprechenden Heizelemente 21 und 22 temperiert, und zwar solange, bis der Klebwerkstoff 13 thermisch aktiviert ist. Bei der thermischen Aktivierung wird der Klebwerkstoff 13 in der Regel plastisch verformbar. Spätestens ab diesem Zeitpunkt wird nun durch die Steuereinrichtung 30 das zweite Heizelement 22 hinsichtlich seiner Wärmeeinstrahlung in den zweiten Fügepartner 12 reduziert oder gänzlich abgestellt, so dass sich die Temperatur des ersten Fügepartners 11 von der Temperatur des zweiten Fügepartners 12 allmählich unterscheidet. Dabei sinkt die Temperatur aufgrund des geringen Wärmeeintrages in dem zweiten Fügepartner 12 gegenüber der Temperatur des ersten Fügepartners 11 ab, so dass die aufgrund der Temperierung entstandene Wärmeausdehnung allmählich rückgängig gemacht wird. Gleichzeitig befindet sich der Klebwerkstoff 13 in einem Zustand der plastischen Verformbarkeit aufgrund der weiterhin bestehenden Temperierung des ersten Fügepartners 11, so dass durch das Abkühlen des zweiten Fügepartners 12 keine Eigenspannung innerhalb des Bauteils 10 am Ende des Aushärteprozesses entsteht.
Ein solcher Temperaturverlauf des ersten Fügepartners 11 sowie des zweiten Fügepartners 12 ist in 2 gezeigt. Zu einem Zeitpunkt T0 werden beide Fügepartner 11 und 12 mit ihren jeweiligen Heizelementen temperiert. Im Beispiel der 2 werden beide Fügepartner 11 und 12 dabei bis zu einem Zeitpunkt T1 nahezu temperaturgleich temperiert. Ab dem Zeitpunkt T1 jedoch beginnt der Klebwerkstoff in einen Zustand zu wechseln, in dem der Klebwerkstoff plastisch verformbar ist und in dem die thermische Aktivierung beginnt. Ab diesem Zeitpunkt T1 wird dann der erste Fügepartner 11 unterschiedlich zu dem zweiten Fügepartner 12 bis zu einem Zeitpunkt T2 temperiert, so dass sich zwischen dem ersten Fügepartner 11 und dem zweiten Fügepartner 12 ein Temperaturgradient ausbildet. Dabei ist es beispielsweise denkbar, dass zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt T2 auch das Temperieren des ersten Fügepartners 11 gestoppt wird, so dass der Klebwerkstoff durch Abkühlen langsam aushärtet, während der zweite Fügepartner 12 aufgrund des Temperaturgradienten seine ursprüngliche Längenausdehnung kompensiert.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzlich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform eine Kühleinrichtung 23 vorgesehen ist, die den zweiten Fügepartner 12 aktiv temperiert, in diesem Falle also herunterkühlt.
So ist es beispielsweise denkbar, dass ab dem Zeitpunkt T1 der erste Fügepartner 11 mithilfe seines Heizelementes 21 weiterhin einen Wärmeeintrag erhält, während ab dem Zeitpunkt T1 der zweite Fügepartner 12 mithilfe der Kühleinrichtung 23 gekühlt wird und so dem Fügepartner 12 Wärme entzogen wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Temperaturgradient zwischen der Temperatur des ersten Fügepartners 11 und des zweiten Fügepartners 12 vergrößert wird, um so eine entsprechende Längenausdehnung des zweiten Fügepartners 11 deutlich schneller rückgängig zu machen. Auch die Kühleinrichtung 13 ist dabei mit der Steuereinrichtung 30 verbunden und wird entsprechend des Temperprozesses an dem Zeitpunkt T1 angesteuert.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Formwerkzeug 40 verwendet wird. Auf die formgebende Werkzeugoberfläche des Formwerkzeuges 40 wird dabei der erste Fügepartner 11 aufgelegt, der einen Faserverbundwerkstoff enthält. Anschließend wir der zweite Fügepartner, der beispielsweise einen Metallwerkstoff enthält, auf den ersten Fügepartner aufgelegt, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Fügepartner der Klebwerkstoff 13 vorgesehen ist. Anschließend wird dieser gesamte Aufbau mit einer Vakuumfolie 41 abgedeckt, wobei der darunter eingeschlossene Bauteilraum dann mithilfe einer Drucksenke 42 (Vakuumpumpe) evakuiert wird. Hierdurch wird der zweite Fügepartner 12 in Richtung Formwerkzeug 40 gedrückt, wodurch die beiden Fügepartner miteinander verpresst werden. Das Formwerkzeug kann dabei ein erstes Heizelement 21 aufweisen, um so den darauf liegenden ersten Fügepartner 11 entsprechend zu temperieren. Gleichzeitig kann auf dem zweiten Fügepartner 12 ein zweites Heizelement 22 aufgebracht sein, welches den zweiten Fügepartner 12 entsprechend temperieren kann.
Nachdem nun beide Fügepartner bis zum Zeitpunkt T1 entsprechend temperiert wurden, wird sodann der Temperiervorgang durch das zweite Heizelement 22 abgestellt, so dass lediglich ein Wärmeeintrag durch das erste Heizelement 21 im ersten Fügepartner 11 erfolgt. Hierdurch kühlt der zweite Fügepartner 12 ab und macht seine temperaturabhängige Längenausdehnung rückgängig. Gleichzeitig werden beide Fügepartner während dieses Temperaturprozesses miteinander verpresst, was aufgrund des entstandenen Vakuums im Bauteilraum erfolgt.
Ist das Heizelement 22 als reine Temperiereinrichtung ausgebildet und nicht nur zum Wärmeeintrag vorgesehen, sondern auch zum Wärmeentzug ausgebildet, so kann mithilfe des Heizelementes bzw. Temperierelementes 22 der zweite Fügepartner 12 auch aktiv gekühlt werden.
Bezugszeichenliste

10: hybrides Bauteil
11: erster Fügepartner
12: zweiter Fügepartner
13: Klebwerkstoff
21: erstes Heizelement
22: zweites Heizelement
23: Kühleinrichtung
30: Steuereinheit
40: Formwerkzeug
41: Vakuumfolie
42: Vakuumpumpe

Claims

Verfahren zum klebenden Fügen eines ersten Fügepartners (11), der einen ersten Werkstoff enthält oder aus einem solchen besteht, mit wenigstens einem zweiten Fügepartner (12), der einen von dem ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff enthält oder aus einem solchen besteht, mittels eines Klebwerkstoffes (13), der durch Temperierung zumindest einmal plastisch verformbar wird und anschließend nach dem Abkühlen eine Klebverbindung zwischen dem ersten Fügepartner (11) und dem wenigstens zweiten Fügepartner (12) bildet, zur Herstellung eines hybriden Bauteils (10), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen des ersten Fügepartners (11) und des wenigstens zweiten Fügepartners (12), wobei der erste Werkstoff des ersten Fügepartners (11) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als der zweite Werkstoff des zweiten Fügepartners (12) und wobei wenigstens einer der Fügepartner (11, 12) an seiner jeweiligen Fügefläche den Klebwerkstoff (13) aufweist oder enthält; und - Erwärmen des ersten Fügepartners (11), des zweiten Fügepartners (12) und des Klebwerkstoffes (13); - wobei der erste Werkstoff ein Faserverbundwerkstoff mit einem Fasermaterial und einem Matrixmaterial ist und der zweite Werkstoff ein Metallwerkstoff ist; dadurch gekennzeichnet, dass - die beiden Fügepartner (11, 12) voneinander unabhängig und mit einem voneinander verschieden Temperaturverlauf temperiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fügepartner (11, 12) ab einem gewissen Zeitpunkt an mit einem voneinander verschiedenen Temperaturverlauf temperiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fügepartner (11, 12) ab einem gewissen Zeitpunkt, an dem der Klebwerkstoff (13) seine Schmelztemperatur und/oder Aktivierungstemperatur erreicht hat, mit einem voneinander verschiedenen Temperaturverlauf temperiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche die beiden Fügepartner (11, 12) spätestens nach dem Zeitpunkt, an dem der Klebwerkstoff (13) eine Temperatur erreicht hat, ab dem der Klebwerkstoff (13) plastisch verformbar ist oder wird, mit einem voneinander verschiedenen Temperaturverlauf temperiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fügepartner (11, 12) ab einem ersten Zeitpunkt derart unabhängig und verschieden voneinander temperiert werden, dass die Temperatur des zweiten Fügepartners (12) relativ zu der Temperatur des ersten Fügepartners (11) bis zu einem auf den ersten Zeitpunkt folgenden zweiten Zeitpunkt sinkt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügepartner (12) ab dem ersten Zeitpunkt bis zu einem auf den ersten Zeitpunkt folgenden zweiten Zeitpunkt gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Fügepartner (11, 12) derart verschieden voneinander temperiert werden, dass zwischen den Fügepartnern (11, 12) ein Temperaturgradient gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Werkstoffes des zweiten Fügepartners (12) mindestens doppelt so groß ist wie der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Werkstoffes des ersten Fügepartners (11).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes ein thermoplastischer Kunststoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebwerkstoff (13) ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (11, 12) während des Temperierens unter Druckbeaufschlagung miteinander verpresst werden.