DE102018129495A1 - Verfahren zur Reparatur eines Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Reparatur eines Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (1) mit einem Hybridverbundwerkstoff, umfassend zumindest eine Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht (3) und eine damit verbundene Metallschicht (2) wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweistA Ermittlung des Schadensumfangs;B Einfügen eines Lochs (4) durch den Hybridverbundwerkstoff im Umfang des in Schritt A) ermittelten Schadens;C Einsetzen eines Metallstücks (5) in das Loch (4) auf Höhe der Metallschicht (2) und stoffschlüssiges Verbinden des Metallstücks (5) mit der Metallschicht (2);D Konturierung des Loches (4) im Anschluss an Schritt B oder C unter Ausbildung einer konischen Randkontur (9)E Bereitstellen eines mit dem konturierten Loch (4) aus Schritt D korrespondierenden Reparaturflickens (8) im Anschluss an einen der Schritte A-D undF Einsetzen des Reparaturflickens (8) in das konturierte Loch (4) und stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Reparaturflicken (8) und der Metallschicht (2), sowie dem Reparaturflicken (8) und dem übrigen Material der Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht (3); sowie eine Verwendung des Verfahrens.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils.
  • Im Stand der Technik existieren einige Methoden mit welchen wahlweise nur Verbundmaterialien oder Metalle repariert werden können.
  • Die US 2007/0175967 A1 offenbart ein Verfahren zum Reparieren von Metallen mittels eines Rührreibschweiß-Verfahrens.
  • In der US 4,858,853 A wird ein Verfahren zum Reparieren von gebogenen Verbundoberflächen vorgestellt. Das hierbei vorgestellte Verfahren kann grundsätzlich auch zum Reparieren von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen eingesetzt werden. Durch die Anwendung dieses Verfahrens wird allerdings das Gewicht des reparierten Bauteils unverhältnismäßig erhöht.
  • Die US 2014/0141190 A1 und die US 8,475 615 B2 offenbaren jeweils ein Verfahren zur Reparatur spezieller Verbundmaterial-Bauteile. Eine Reparatur von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen ist hierbei nicht offenbart oder beschrieben.
  • Die US 5,868,886 A offenbart ein weiteres Verfahren zur Reparatur von Verbundmaterial-Bauteile durch Einsatz eines Z-Pin in einer Verbindung zum Reparaturflicken, was zu einer verstärkten Beanspruchung um die Z-Pinlöcher führt. Eine Anwendung auf die Reparatur von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile wird dabei nicht nahegelegt.
  • Im Bereich der Faser-Kunststoff-Verbundmaterial-Bauteile, welche als Verbindung aus Faserverbundmaterialschichten und Metallschichten ausgebildet sind, werden im Fall einer Beschädigung Metallstücke unter Nutzung von mechanischen Verbindungen wie Nieten oder Schrauben ergänzt. Dadurch kann die Festigkeit zwar schnell wiederhergestellt werden, allerdings wird das Gewicht des Bauteils dadurch stark erhöht und die Festigkeit ist nicht dauerhaft von Bestand sondern die Sicherheit der Verbindung und damit des Bauteils nimmt nach kurzer Zeit ab.
  • Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik und der geschilderten Problematik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Reparatur eines Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils bereitzustellen, welches eine hohe Festigkeit des reparierten Bauteils über einen längeren Zeitraum gewährleistet und keine übermäßige Gewichtserhöhung zur Folge hat.
  • Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Reparatur eines Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils mit einem Verbundwerkstoff.
  • Das besagte Bauteil kann vollständig aus dem Hybridverbundwerkstoff bestehen oder lediglich abschnittsweise den besagten Hybridverbundwerkstoff, z.B. als plattenförmiger Einsatz in einem Rahmen, aufweisen.
  • Der Hybridverbundwerkstoff umfasst zumindest eine Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht, nachfolgend auch FKV-Materialschicht genannt, und eine damit verbundene Metallschicht. Vorzugsweise wird dabei lediglich eine einzige Metallschicht, z.B. ein Metallblech, verwendet. Die beiden Schichten sind unmittelbar übereinander geordnet. Die Abfolge der Schichten definiert dabei eine sogenannte Stapelrichtung.
  • Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
  • A Ermittlung des Schadensumfangs;
  • Zunächst wird der Beschädigungszustand des Bauteils ermittelt. Dies kann im einfachsten Fall durch Augenschein erfolgen. Es ist jedoch, insbesondere zum Auffinden von nicht-sichtbaren Beschädigungen im FKV-Material ratsam, eine zerstörungsfreien Prüfung, vorzugsweise im Rahmen einer Ultraschallanalyse, einer Infrarotthermographie, und/oder einer Shearografie, am Bauteil durchzuführen.
  • B Einfügen eines Lochs durch den Hybridverbundwerkstoff im Umfang des in Schritt A) ermittelten Schadens;
  • Nach der Ermittlung des Umfangs des Schadens erfolgt das Einfügen eines Loches in den Hybridverbundwerkstoff. Dies sollte im Umfang des ermittelten Schadens erfolgen und idealerweise auch die nicht-sichtbaren Beschädigungen im FKV-Material umfassen. Entsprechend groß ist das Loch zu dimensionieren.
  • Aus statischen Gründen empfiehlt sich ein elliptisches Loch. Bei der Ausgestaltung des Loches kann sich vorteilhaft um ein gestuftes Loch handeln. Das Einfügen des Loches kann beispielsweise derart erfolgen, dass zwischen der Kante des Lochs und dem Faser-Kunststoff-Verbund-Material ein unbeschichteter Freibereich auf der Oberfläche der Metallschicht angeordnet ist, welcher eine radiale Erstreckung zur Kante des Loches von zumindest 5 mm, vorzugsweise zumindest 8 mm, aufweist. Dies dient dem Schutz des FKV-Materials vor Schweißwärme im anschließenden Schritt.
  • C Einsetzen eines Metallstücks in das Loch auf Höhe der Metallschicht und stoffschlüssiges Verbinden des Metallstücks mit der Metallschicht.
  • Für den Stoffschluss können viele Varianten, so z.B. auch Metall-Metall-Kleben genutzt werden. Besonders bevorzugt ist allerdings das Schweißen zwischen dem Metallstück und der Metallschicht, wodurch eine sehr stabile Verbindung insbesondere bei umlaufender Schweißnaht geschaffen werden kann.
  • Zugleich ist die Schweißnaht auch ein Indiz für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Vorliegen eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils.
  • D Konturierung des Loches im Anschluss an Schritt B oder C unter Ausbildung einer konischen Randkontur
  • In einem Folgeschritt kann eine Konturierung des Loches erfolgen. Dies kann auch schon vor dem Einsetzen des Metallstücks erfolgen, sollte es allerdings zu Defekten im FKV-Material aufgrund von Schweißwärme gekommen sein, so kann dieses Material im Rahmen der Konturierung vorteilhaft abgetragen werden.
  • E Bereitstellen eines mit dem aus Schritt D konturierten Loch korrespondierenden Reparaturflickens im Anschluss an einen der Schritte A-D
  • Weiterhin umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines Reparaturflickens welcher mit dem Loch aus Schritt D korrespondiert. Durch die fortschreitende Automatisierung ist es möglich den Umfang der Konturierung des Loches in Schritt D bereits zu planen und entsprechend einen korrespondierenden Reparaturflicken noch vor dem eigentlichen Schritt D oder zeitgleich zur Konturierung in Schritt D herzustellen. Dies spart u.a. Zeit.
  • Um die Möglichkeit einer toleranzarmen Reparatur zu ermöglichen und ggf. Materialschäden infolge des Schweißvorgangs bei der Konturierung noch auszugleichen, kann der Reparaturflicken auch erst nach der Konturierung in Schritt D hergestellt werden.
  • F Einsetzen des Reparaturflickens in das konturierte Loch und stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Reparaturflicken und der Metallschicht, sowie dem Reparaturflicken und dem übrigen Material der Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht und der Metallschicht.
  • Die stoffschlüssige Verbindung kann in diesem Fall durch einen Klebstoff erreicht werden oder durch ein randseitiges Anlösen des Materials des Reparaturflickens z.B. durch Besprühen mit Lösungsmittel.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Es ist von Vorteil, wenn der Reparaturflicken aus einem duroplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Material ausgebildet ist, sofern die Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht des Hybridverbundwerkstoffs als eine Duroplast-Materialschicht ausgebildet ist.
  • Alternativ kann der Reparaturflicken vorteilhaft aus einem thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Material ausgebildet sein, sofern die Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht des Hybridverbundwerkstoffs als eine Thermoplast-Materialschicht ausgebildet ist.
  • Besonders bevorzugt können der Reparaturflicken und die Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht des Hybridverbundwerkstoffs aus dem selben Material ausgebildet sein.
  • Auch das Metallstück und die Metallschicht können vorteilhaft aus einem gleichen Material gefertigt sein.
  • Die konische Randkontur kann zur Aufnahme von Schubspannungsüberhöhungen und zur Kontaktflächenmaximierung von einen Winkel von 3-8° aufweisen.
  • Das Bereitstellen des Reparaturflickens kann in einer Vorrichtung mit einem Formwerkzeug, vorzugsweise mit einem einschaligen Formwerkzeug, erfolgen, wobei das Formwerkzeug eine Kontur in der Form des Loches aufweist.
  • Die Vorrichtung kann eine Abdeckung, insbesondere eine Vakuumabdeckung, zur Abdeckung der Kontur aufweisen. Eine entsprechende Möglichkeit zur Vakuumerzeugung, z.B. eine Vakuumpumpe, in einer Kammer zwischen der Kontur und der Abdeckung kann Teil der Vorrichtung sein.
  • Bevorzugt kann die Abdeckung oder das Formwerkzeug einen Anschluss für eine Vakuumleitung, z.B. einer Vakuumpumpe, aufweisen.
  • Weiterhin erfindungsgemäß ist die Verwendung des Verfahrens zur Reparatur eines Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils, wobei das Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil, vorzugsweise als Aufprallschutz, im Bereich des Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt, von Windenergieanlagen, von Bahnanlagen, von Personentransportfahrzeugen und/oder in der Sportindustrie genutzt wird.
  • Besonders bevorzugt kann das Verfahren auf ein montiertes Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil angewandt werden, ohne dass das Bauteil zur Reparatur demontiert werden muss.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert wird. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
    • 1 schematische Darstellung eines Defekts in einem Metall-Faser-Kunststoff- Verbund-Bauteil;
    • 2a, 2b schematische Darstellung eines Zwischenproduktes eines zweiten und dritten Verfahrensschrittes;
    • 3a, 3b schematische Darstellung der Dimensionierung eines Reparaturflickens zur Verwendung in einem weiteren Verfahrensschritt;
    • 4a, 4b Darstellung von Varianten zum Bereitstellen des Reparaturflickens;
    • 5 Darstellung des Verbindens des Reparaturflickens mit einem zu reparierenden Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil und
    • 6 repariertes Faser-Kunststoff-Verbundbauteil.
  • Das nachfolgende Verfahren beschreibt die Wiederherstellung eines Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils aus einem Hybridverbundwerkstoff. Bevorzugt umfasst der Hybridverbundwerkstoff einen Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) umfassend zumindest eine Faserverbundmaterialschicht. Weiterhin umfasst der Hybridverbundwerkstoff eine Metallschicht.
  • Der Begriff eines Hybridverbundwerkstoff beschreibt insbesondere eine Metall-Kunststoff-Verbundstruktur die eine flächige stoffschlüssige Verbindung aufweisen. Der Aufbau der Hybridverbundstruktur kann in einer sogenannten Mischbauweise ausgebildet sein. Die stoffschlüssige Verbindung kann vorzugsweise adhäsiv oder durch Matrixhaftung erreicht werden.
  • Als Metallschicht können alle schweißbaren Metalle eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind dabei Stahl und/oder Aluminium. Diese können in Form von Metallblechen vorgesehen sein. Die bevorzugte Schichtdicke der Metallschicht kann bevorzugt zwischen 0,3 mm bis 2 mm betragen.
  • Das Faserkunststoffverbundmaterial (FKV) umfasst Fasern, welche in einer Kunststoffmatrix eingebettet und/oder mit dieser Kunststoffmatrix getränkt sind.
  • Die FKV-Materialschicht kann mehrlagig aufgebaut sein. Die FKV-Materialschicht weist dabei eine bevorzugte Schichtdicke zwischen 1,5 mm bis 6,0 mm auf.
  • Als Fasern können bevorzugt Glasfasern, Aramidfasern und/oder Carbonfasern eingesetzt werden. Andere Fasermaterialien sind allerdings ebenfalls möglich. Die bevorzugte mittlere Faserlänge beträgt zumindest 5 mm.
  • Für Kurzfasern können bevorzugt längen on zumindest 5 mm eingesetzt werden. Es können jedoch auch unidirektionale Fasern eingesetzt werden, einschließlich unidirektionale Endlosfasern.
  • Die Kunststoffmatrix umfasst thermoplastische und duroplastische Kunststoffe, wie z.B. Polypropylen, Polyphenylen sulfid (PPS), Polyether ether keton (PEEK), Cyanat-Ester, polyimide Polyamid und/oder Epoxidmaterialien.
  • Die vorbeschriebenen Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile, insbesondere umfassend zumindest eine FKV-Materialschicht und eine Metallschicht weisen sind heterogen aufgebaut und weisen anisotrope Eigenschaften auf.
  • Typische Anwendungsbereiche für die vorbeschriebenen Bauteile sind beispielsweise der Automobilbau, die Luft- und Raumfahrt, Windenergieanlagen, Bahnanlagen und/oder die Sportindustrie. Insbesondere in Anwendungen der Elektromobilität kommen die vorgenannten Bauteile als Leichtbauhybridverbundmaterialien zum Einsatz.
  • Ein besonders bevorzugter Anwendungsbereich innerhalb der vorgenannten Anwendungsgebiete ist der Aufprallschutz, z.B. bei Anwendungen wie Stossstangen oder dergleichen.
  • Im Schadensfall, z.B. bei Schlägen oder Stößen gegen das Material, weisen Metall-Faser-Kunststoff-Verbund Bauteile Defekte auf, welche nicht mit bloßem Auge sichtbar sind. Derartige Defekte können Matrixrisse, Ablösen zwischen den Verbundmaterialien, Delaminierungen zwischen der FKV-Materialschicht und der Metallschicht oder Faserbrüche innerhalb der FKV-Materialschicht auf.
  • Das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es eine Wiederherstellung des Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils zu erreichen.
  • Zur Detektion dieser Defekte kann in einem ersten Schritt A des Verfahrens eine Ermittlung des Schadensumfangs durch eine zerstörungsfreie Prüfung erfolgen. Zur zerstörungsfreien Prüfung kann vorzugsweise eine Ultraschallanalyse, Infrarotthermographie, und/oder Shearografie eingesetzt werden. Dabei können Schadensbilder hinsichtlich des Umfangs des Defekts erzeugt werden.
  • 1 zeigt einen typischen Defekt in einem plattenförmigen Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil 1. Das Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil weist, wie zuvor beschrieben, eine Metallschicht 2 und zumindest eine FKV-Materialschicht 3 auf. Das in 1 ausschnittsweise dargestellte Bauteil erstreckt sich in X- Y- und Z-Richtung, wobei die X-Richtung eine Breite definiert, die Y-Richtung eine Länge definiert und die Z-Richtung eine Tiefe definiert. Die Tiefe entspricht dabei der Stapelrichtung der Materialschichten 2 und 3.
  • Die Beschädigung der Metallschicht 2 erstreckt sich als sichtbare Beschädigung z.B. als Umformung, in Y-Richtung 2a und in X-Richtung 2b.
  • Die Beschädigung des der FKV-Materialschicht 3 erstreckt sich als sichtbare Beschädigung in Y-Richtung um 2a' und in X-Richtung um 2b'.
  • Wie aus 1 erkennbar, ist die Erstreckung 2a' und 2b' der sichtbaren Beschädigung des FKV-Materials ist dabei geringer als die Erstreckung der sichtbaren Beschädigung 2a und 2b der Metallschicht. Allerdings kann es auch vorkommen dass die Erstreckung 2a' und 2b' der sichtbaren Beschädigung des FKV-Materials größer ist als die Erstreckung der sichtbaren Beschädigung 2a und 2b der Metallschicht.
  • Die Differenz Δa' und Δb' der vorgenannten Erstreckungen in X- und Y-Richtungen sind in 1 nicht-sichtbare innere Beschädigungen zwischen der FKV-Materialschicht 3 und der Metallschicht 2.
  • Nach der Ermittlung des Schadensumfangs in Schritt A, einschließlich der nicht-sichtbaren Beschädigungen, kann in Schritt B ein Loch 4 in das Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil gebohrt werden. Das Loch kann vorzugsweise elliptisch ausgebildet sein.
  • Das Loch kann, wie in 2 bei einem Defekt mit 2a>2a', 2b>2b' und 2a> 2b dargestellt, mit einem Hauptachsenmaß 2a und einem Nebenachsenmaß 2b in das Hybridmaterial gebohrt werden.
  • Das Hauptachsenmaß entspricht dabei der Erstreckung 2a der sichtbaren Beschädigung der Metallschicht 2 in Y-Richtung bzw. der Summe aus Erstreckung der sichtbaren Beschichtung 2a' und der nicht-sichtbaren Beschädigung Δa' der FKV-Materialschicht 3 in Y-Richtung.
  • Die X-Achsen Dimensionierung des Loches kann bevorzugt die Länge von 2b aufweisen, wenn 2b>2b' oder umgekehrt. Die Y-Achsen Dimensionierung kann bevorzugt die Länge 2a aufweisen, wenn 2a>2a' oder umgekehrt. Wenn die X-Achsenlänge größer ist als die Y-Achsenlänge, dann liegt die Hauptachse des elliptischen Lochs in der X-Achse oder umgekehrt.
  • Die Dimensionierung des Loches richtet sich jedoch immer nach dem Ausmaß der sichtbaren der Metallschicht, der FKV-Materialschicht und den nicht sichtbaren Beschädigungen der FKV-Materialschicht.
  • Wenn 2a' + Δa' > 2a ist, so muss die in Schritt A die ermittelte nicht-sichtbaren Beschädigung des das Loch umgebenden FKV-Materials vollständig entfernt werden. Zudem sollte das FKV-Material idealerweise bis auf zumindest 5 mm, bevorzugt zumindest 8 mm vom Loch entfernt werden. Gleiches gilt für den Fall dass 2a' + Δa' < 2a. Auch hier sollte der Abstand zumindest 5 mm, vorzugsweise 8 mm betragen.
  • Gleiches gilt für Dimensionierung des Bohrlochs in der Nebenachsenrichtung.
  • Ein neues unbeschädigtes Metallstück 5 kann sodann in einem Schritt C auf die Maße des Loches 4, insbesondere des elliptischen Loches, ausgeformt werden. Dies kann beispielsweise durch Zuschnitt oder durch Stanzen erfolgen.
  • Vorzugsweise entspricht das neue Metallstück dem Material der verbleibenden Metallschicht 2 mit dem Loch 4. So kann für das neue Metallstück vorzugsweise dieselbe Stahlsorte wie für die Metallschicht 2 genutzt werden
  • Auch die Schichtdicke, insbesondere die Blechdicke, des Metallstücks 5 entspricht der Schichtdicke bzw. Blechdicke der Metallschicht 2.
  • Das Metallstück 5 wird innerhalb des Loches 4 positioniert und kann durch Schweißen unter Ausbildung einer Schweißnaht 6 stoffschlüssig mit der Metallschicht 2 verbunden werden. Das Schweißen ist dabei von der unbeschichteten Seite 7 der Metallschicht 2 auszuführen.
  • In einem Schritt D erfolgt sodann die Vorbereitung des Loches 4 auf den Einsatz eines FKV-Reparaturflickens 8. Das vorbereitete Loch 4 und der Reparaturflicken 8 sind u.a. in 5 dargestellt. Die Dimensionierung des Reparaturflickens 8 ist zudem in 3a und 3b dargestellt.
  • Hierfür wird das Loch 4 mit einer sich in Z-Richtung erstreckenden, vorzugsweise umlaufenden, konischen Randkontur 9 versehen. Der Querschnitt des Lochrandes wird somit ausgehend von der Schnittstelle 10 mit der Metallschicht 3 zur unbeschichteten Seite der FKV-Materialschicht hin größer. Der Winkel α der konischen Randkontur 9 ausgehend von der Schnittstelle 10 beträgt vorzugsweise 3-8°. Die konische Randkontur 9 dient dem Ausgleich von Schubspannungsüberhöhungen und zur Kontaktflächenmaximierung.
  • Die Last wird somit auf die Ebene übertragen und somit nicht oder nur in geringem Umfang auf die Fasern.
  • Der in das Loch 4 einzusetzende Reparaturflicken 8 weist eine zum Loch 4 korrespondierende konische Randkontur 11 auf.
  • Das Bereitstellen des Reparaturflickens in einem Schritt E kann beispielsweise durch das Erstellen eines Formwerkzeugs, insbesondere eines einschaligen Formwerkzeugs, erfolgen. Optional kann die Kontur des konischen Loches 4 eingescannt werden. Allerdings kann die Dimension des Lochs aufgrund der vorhergehenden Fertigungsschritte auch schon bekannt sein.
  • Das Formwerkzeug kann sodann durch ein generatives Fertigungsverfahren, z.B. 3D-Druck, hergestellt werden.
  • Alternativ besteht die Möglichkeit die Kontur des Lochs in ein Formwerkzeug, z.B. in eine Platte, hineinzuschneiden. Dies kann z.B. mittels eines Lasers erfolgen.
  • Auch weitere Varianten zur Fertigung eines Formwerkzeugs sind geeignet.
  • Das Formwerkzeug 12 kann mit einem Formtrennmittel behandelt sein, um ein Anhaften des Reparaturflickens zu verhindern und um ein sicheres Entformen sicherzustellen.
  • In 4a und 4b sind zwei Varianten zur Herstellung des Reparaturflickens 8 in Schritt E innerhalb einer Vorrichtung 20, 30 umfassend das Formwerkzeug 12 dargestellt.
  • Ein Faser-Kunststoff-Halbzeug 13 umfassend mit Kunststoffharz vorimprägnierte Fasern, auch „prepreg“ genannt, wird dabei in das Formwerkzeug 12 eingefügt, welches eine Kontur 14 analog zum Loch 4 aufweist.
  • Der Kunststoffharz des Halbzeugs 13 kann dabei noch polymerisieren und sich dadurch mit den Fasern zu einem Verbundmaterial verbinden.
  • Die Vorrichtung 20 in 4a weist zudem eine Abdeckung 15 z,B., in Form einer Vakuumhaube oder Vakuumfolie, auf, welche mediendicht über der Kontur 14 des Formwerkzeugs 12 unter Ausbildung einer Vakuumkammer 18 angeordnet ist.
  • Hierfür ist randseitig um die Kontur 14 herum eine Dichtung 16, z.B. in Form einer Dichtmasse, angeordnet.
  • Weiterhin weist die Abdeckung 15 eine Infusionsöffnung 17 zur Harzinfusion in die Vakuumkammer 18 auf und eine Vakuumpumpe 19 zum Absaugen von Luft aus der Vakuumkammer 18.
  • Ein Aufreißgewebe 21 ist innerhalb der Vakuumkammer 18 angeordnet. Sie dient zur Erzeugung einer glatten Oberfläche der FKV-Schicht nach der Reparatur. Dadurch benötigt die reparierte Oberfläche keine weitere Nachbearbeitung nachdem die Aufreißfolie entfernt wurde. Weiterhin ist innerhalb der Vakuumkammer 18 ein Lochgewebe 22 angeordnet. Diese dient als Fließhilfe und ermöglicht eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des Kunststoffs.
  • Die in 4a dargestellte Vorrichtung 20 ermöglicht insbesondere die Ausbildung eines duroplastischen Reparaturflickens 8. Das eingesetzte Harz ist dabei ein duroplastisches Polymer mit weiteren Härtungsmitteln vermischt und durch die Infusionsöffnung 17 in die Vorrichtung 20 eingespritzt werden kann. Dabei vernetzen sich die Moleküle und formen einen festen, definiert vorgeformten Reparaturflicken. Das Aushärten kann entweder bei Raumtemperatur oder in einem Ofen erfolgen.
  • Die Vorrichtung 30 in 4b ermöglicht das Bereitstellen eines thermoplastischen Reparaturflickens 8. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit duroplastische Reparaturflicken je nach Ausgestaltung des Halbzeugs 33 zu realisieren.
  • Nach der Positionierung des Halbzeugs 33 in der Kontur 35 des Formwerkzeugs 34 wird dieses mit einer Abdeckung 31, vorzugsweise unter Ausbildung einer Kammer 32, versehen. Auch hier kann die Abdeckung 31 mit randseitigem Dichtelement 36 optional als Vakuumhaube ausgebildet sein. Eine Reparatur unter Vakuum ist bei dieser Variante allerdings lediglich eine Option.
  • Eine anschließende thermische Behandlung kann in einem Ofen erfolgen. Dabei härtet der Harz des Halbzeugs aus und nimmt die Form der Kontur 34 an.
  • In einem Schritt F erfolgt sodann die Anordnung des Reparaturflickens 33 innerhalb des konischen Loches.
  • Bei einer zu reparierenden FKV-Materialschicht auf Basis eines duroplastischen Materials sollte der Reparaturflicken ebenfalls aus einem duroplastischen Material bestehen.
  • Analog sollte bei einer zu reparierenden FKV-Materialschicht auf Basis eines thermoplastischen Materials der Reparaturflicken ebenfalls aus einem thermoplastischen Material bestehen.
  • Bei FKV-Materialschichten mit bekannter Zusammensetzung sollte als Material des Reparaturflickens bevorzugt das gleiche Material eingesetzt werden oder alternativ ein Reparaturflicken mit höherer Festigkeit und Steifheit zum Einsatz kommen.
  • Schließlich kann der bereitgestellte Reparaturflicken 8 mit der restlichen FKV-Materialschicht 2 verbunden werden. Dies kann beispielsweise bei Raumtemperatur unter Einsatz eines Konstruktionsklebers 23 erfolgen.
  • Das vorbeschriebene Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass bei der Wiederherstellung bzw. Reparatur das Gewicht des Bauteils nicht unverhältnismäßig stark zunimmt und eine dauerhafte Festigkeit des reparierten Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils gewährleistet ist.
  • Das Verfahren ermöglicht es die Festigkeit des Bauteils bei gleichzeitiger Gewährleistung der strukturellen Sicherheit über einen langen Zeitraum herzustellen. Die Nutzungsdauer des entsprechenden Bauteils wird insgesamt verlängert.
  • Das Verfahren ermöglicht es zudem fest-verbaute Bauteile ohne deren Demontage zu reparieren, sofern die Metallschicht und die FKV-Materialschicht zur Bearbeitung zugänglich sind.
  • Gegenüber bisher bekannten Reparaturmethoden in diesem Anwendungsbereich weist das reparierte Bauteil verbesserte mechanische Eigenschaften auf.
  • Schließlich ermöglicht das vorgenannte erfindungsgemäße Verfahren eine Reduzierung an Müll von Bauteilen in Mischbauweise mit FKV-Materialien und Metallen und somit eine Schonung von Ressourcen. Somit leistet das Verfahren einen Beitrag zum Schutz der Umwelt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil
    2
    Metallschicht
    3
    FKV-Materialschicht
    4
    Loch
    5
    Metallstück
    6
    Schweißnaht
    7
    Unbeschichtete Seite
    8
    FKV-Reparaturflicken
    9
    Konische Randkontur
    10
    Schnittstelle
    11
    Konische Randkontur
    12
    Formwerkzeug
    13
    FKV-Halbzeug
    14
    Kontur
    15
    Abdeckung
    16
    Dichtung
    17
    Infusionsöffnung
    18
    Vakuumkammer
    19
    Vakuumpumpe
    20
    Vorrichtung
    21
    Aufreißgewebe
    22
    Lochgewebe / Fließhilfe
    23
    Konstruktionskleber
    30
    Vorrichtung
    31
    Abdeckung
    32
    Kammer
    33
    FKV-Halbzeug
    34
    Formwerkzeug
    35
    Kontur
    36
    Dichtelement
    2a
    Erstreckung sichtbare Beschädigung in Metallschicht in Y-Richtung
    2a'
    Erstreckung sichtbare Beschädigung in FKV-schicht in Y-Richtung
    2b
    Erstreckung sichtbare Beschädigung in Metallschicht in X-Richtung
    2b'
    Erstreckung sichtbare Beschädigung in FKV-Schicht in X-Richtung
    Δa'
    Erstreckung nicht-sichtbare Beschädigung in FKV-schicht in Y-Richtung
    Δb'
    Erstreckung nicht-sichtbare Beschädigung in FKV-schicht in X-Richtung
    α
    Winkel der konischen Randkontur 9
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2007/0175967 A1 [0003]
    • US 4858853 A [0004]
    • US 2014/0141190 A1 [0005]
    • US 8475615 B2 [0005]
    • US 5868886 A [0006]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Reparatur eines Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (1) mit einem Hybridverbundwerkstoff, umfassend zumindest eine Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht (3) und eine damit verbundene Metallschicht (2) wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist A Ermittlung des Schadensumfangs; B Einfügen eines Lochs (4) durch den Hybridverbundwerkstoff im Umfang des in Schritt A) ermittelten Schadens; C Einsetzen eines Metallstücks (5) in das Loch (4) auf Höhe der Metallschicht (2) und stoffschlüssiges Verbinden des Metallstücks (5) mit der Metallschicht (2); D Konturierung des Loches (4) im Anschluss an Schritt B oder C unter Ausbildung einer konischen Randkontur (9) E Bereitstellen eines mit dem konturierten Loch (4) aus Schritt D korrespondierenden Reparaturflickens (8) im Anschluss an einen der Schritte A-D und F Einsetzen des Reparaturflickens (8) in das konturierte Loch (4) und stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Reparaturflicken (8) und der Metallschicht (2), sowie dem Reparaturflicken (8) und dem übrigen Material der Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturflicken (8) aus einem duroplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Material ausgebildet ist, sofern die Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht (3) des Hybridverbundwerkstoffs als eine Duroplast-Materialschicht ausgebildet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturflicken (8) aus einem thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbund-Material ausgebildet ist, sofern die Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht (3) des Hybridverbundwerkstoffs als eine Thermoplast-Materialschicht ausgebildet ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturflicken (8) und die Faser-Kunststoff-Verbund-Materialschicht (3) des Hybridverbundwerkstoffs aus dem selben Material ausgebildet sind.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallstück (5) und die Metallschicht (2) aus einem gleichen Material gefertigt sind.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Schadensumfangs gemäß Schritt A im Rahmen einer zerstörungsfreien Prüfung, vorzugsweise im Rahmen einer Ultraschallanalyse, einer Infrarotthermographie, und/oder einer Shearografie, erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt B eingefügte Loch (4) als elliptisches Loch ausgebildet ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfügen des Loches (4) derart erfolgt, dass zwischen der Kante des Lochs (4) und dem Faser-Kunststoff-Verbund-Material ein unbeschichteter Freibereich (b') auf der Oberfläche der Metallschicht (2) angeordnet ist, welcher eine radiale Erstreckung zur Kante des Loches (4) von zumindest 5 mm, vorzugsweise zumindest 8 mm, aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsetzen des Metallstück (5) gemäß Schritt C durch Verschweißen mit der Metallschicht (2) erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konische Randkontur (9) einen Winkel von 3-8° aufweist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des Reparaturflickens (8) in einer Vorrichtung (20, 30) mit einem Formwerkzeug (12, 34), vorzugsweise einem einschaligen Formwerkzeug, erfolgt, wobei das Formwerkzeug (12, 34) eine Kontur (14, 35) in der Form des Loches (4) aufweist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20, 30) eine Abdeckung (15, 31), insbesondere eine Vakuumabdeckung, zur Abdeckung der Kontur (14, 35) aufweist.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturierung des Loches (4) gemäß Schritt D nach dem nach Einsetzen des Metallstückes (5) in Schritt C erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des Reparaturflicken (8) nach Ausbildung des Loches (4) in Schritt D erfolgt.
  15. Verwendung des Verfahrens zur Reparatur eines Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (1), wobei das Metall-Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil (1), vorzugsweise als Aufprallschutz, im Bereich des Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt, von Windenergieanlagen, von Bahnanlagen, von Personentransportfahrzeugen und/oder in der Sportindustrie genutzt wird.
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