DE102019133418A1

DE102019133418A1 - Blitzschutzwerkstoff und Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102019133418A1
Application number: DE102019133418.7A
Authority: DE
Inventors: Duy Chinh Nguyen; Constantin Bäns; Andreas Kolbe
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2021-06-10
Also published as: FR3104061B1; FR3104061A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Blitzschutzwerkstoff zur Integration in ein Bauteil eingerichtet zur automatisierten Ablage mittels einer Legeanlage, wobei der Blitzschutzwerkstoff eine elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage und eine Verstärkungslage hat, die mittels eines Matrixsystems flächig aneinander gefügt sind, wobei die Verstärkungslage in eine längsverlaufende Ablegerichtung formstabil ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Blitzschutzwerkstoff zur Integration in ein Bauteil eingerichtet zur automatisierten Ablage mittels einer Legeanlage, insbesondere einer Faserlegeanlage. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem integrierten Blitzschutz aus einem solchen Blitzschutzwerkstoff, wobei der Faserverbundwerkstoff zumindest ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial aufweist.
Faserverbundwerkstoffe, aus denen Faserverbundbauteile hergestellt werden können, weisen in der Regel ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial auf, sodass das Fasermaterial und das Matrixmaterial nach dem Konsolidieren bzw. Aushärten des Matrixmaterials eine integrale Einheit bilden und so die Verstärkungsfasern des Fasermaterials in ihre vorgegebene Struktur gezwungen werden.
Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes sind dabei faserförmige Materialien, die einen anisotropen Werkstoff darstellen, der in Faserrichtung seine maximale Festigkeit und Steifigkeit ausbildet. Solche Fasermaterialien können bspw. Glasfasermaterialien oder Kohlenstofffasermaterialien sein. Elektrisch leitfähiges Fasermaterial ist dabei insbesondere jenes Fasermaterial, das neben seiner anisotropen Werkstoffeigenschaft zusätzlich eine elektrische Leitfähigkeit in Faserrichtung bzw. entlang der Faserorientierung hat, wie dies bspw. bei Kohlenstofffasern (CFK) der Fall ist. Es ist allerdings auch denkbar, dass nicht elektrisch leitfähigen Fasermaterialien, wie beispielsweise Glasfasern, zusätzliche elektrisch leitfähige Materialien hinzugefügt werden, um so gebildete Faserhalbzeuge elektrisch leitfähig zu machen.
Matrixmaterialien sind Kunststoffmaterialien, die durch meist Temperaturbeaufschlagung aushärten (polymerisieren) bzw. konsolidieren und so das eingebettete Fasermaterial in eine feste Struktur zwingen. Derartige Matrixmaterialien können bspw. duroplastische oder thermoplastische Kunststoffe sein, deren Verwendung je nach Anwendungsfall ausgewählt wird.
Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei zunächst das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes durch Ablegen des Fasermaterials auf ein Formwerkzeug zunächst in die gewünschte Bauteilform (Preform) gebracht, was als Preforming bezeichnet wird. Wurden zur Herstellung der Faserpreform trockene Fasermaterialien verwendet, so muss in einem sich an das Preforming anschließenden Infusionsprozess das Matrixmaterial in das Fasermaterial der Preform infundiert werden. Wurden zur Herstellung der Faserpreform hingegen vorimprägniertes Fasermaterial (sogenannte Prepregs) verwendet, so ist der anschließenden Infusionsprozess optional.
Aufgrund seiner besonderen Eigenschaft, bei einem relativ geringen Gewicht eine hohe Festigkeit und Steifigkeit gegenüber anderen, insbesondere isotropen Werkstoffen aufzuweisen, eignen sich Faserverbundwerkstoffe insbesondere in der Luftfahrtindustrie und der Automobilindustrie, da durch die Einsparung des Gewichts direkt proportional Treibstoff eingespart werden kann. Daher hat sich die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie mittlerweile für fast alle Bauteile bzw. Bauelemente eines Fahrzeuges etabliert.
Bei der Herstellung von Strukturen für die Automobil- und Luftfahrtindustrie ist es jedoch ein wesentliches Erfordernis, dass diese Bauteile gegen Blitzschlag geschützt werden. Bei metallischen Werkstoffen, wie bspw. Aluminium, ist dies grundsätzlich aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des verwendeten metallischen Werkstoffes gegeben. Bei der Verwendung von Faserverbundbauteilen als Ersatz für Bauteile aus metallischen Werkstoffen ist dies per se jedoch noch nicht gegeben, auch dann nicht, wenn das Faserverbundbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem elektrisch leitfähigen Fasermaterial hergestellt wurde.
Aus der DE 10 2017 102 045 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, welches aus einem Faserverbundwerkstoff mit elektrischer Leitfähigkeit hergestellt ist. Das Faserverbundbauteil weist dabei eine Blitzschutzeinrichtung auf, die aus den Lagen des elektrisch leitfähigen Fasermaterials gebildet wird, wobei lokale elektrische Einleitungsbereiche vorgesehen sind, innerhalb dessen die elektrische Leitfähigkeit des Faserverbundbauteils in Dickenrichtung vergrößert wurde. Somit können mehrere Lagen Fasermaterial als elektrische Leiter für einen Blitzschutz verwendet werden.
Aus der DE 10 2011 086 101 A1 ist ein Faserverbundbauteil für Flugzeuge bekannt, das einen integrierten Blitzschutz aufweist. Hierzu werden herkömmliche Fasermaterialien eines Faserverbundwerkstoffes mit einer Lage eines bandförmigen Blitzschutzmaterials, bspw. eine Aluminiumschicht, kombiniert, um so die hohen Ströme, die durch einen Blitzeinschlag verursacht werden, ohne große Wärmeentwicklung abgeführt werden können. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass das Aufbringen eines zusätzlichen Blitzschutzes einen sehr arbeitsintensiven und zeitintensiven Arbeitsschritt darstellt, der die Herstellungskosten zusätzlich erhöht. Außerdem führt das Aufbringen eines solchen Blitzschutzmaterials zu einer Erhöhung des Mehrgewichtes, ohne jedoch wesentlich zur Aufnahme von mechanischen Lasten beizutragen.
Daher werden in der Forschung derzeit netzförmige bzw. maschenförmige Blitzschutzmaterialien erprobt, die als äußere, zusätzliche Lage auf das Faserverbundbauteil aufgetragen werden. Im Gegensatz zu vollflächigen Kupferstreifen kein hierdurch signifikant Gewicht eingespart werden, ohne den Blitzschutz zu reduzieren.
Gerade bei der Herstellung von großskaligen Strukturbauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff werden zur Erhöhung der Effizienz sogenannte Faserlegeanlagen verwendet, die automatisiert ein der Anlage zugeführtes Fasermaterial auf dem Werkzeug zur Herstellung der Faserpreform ablegen. Eine solche Faserlegeanlage ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 A1 bekannt.
Dabei besteht ein Bedürfnis, den gesamten Arbeitsprozess mithilfe einer solchen Faserlegeanlage durchzuführen, d. h. auch die Ablage des Blitzschutzmaterials, wie dies beispielsweise aus der bereits genannten DE 10 2011 086 101 A1 bekannt ist.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass die elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzmaterialien nicht geeignet sind, prozesssicher unter Verwendung einer Faserlegeanlage in ein Formwerkzeug abgelegt zu werden. Denn bei der Verwendung von Faserlegeanlagen wird meist in Ablegerichtung eine sogenannte Ablegespannung aufgebracht, um so insbesondere das Fasermaterial ohne Erzeugung von Fehlstellen auf das Formwerkzeug ablegen zu können. Werden hingegen netzförmige Blitzschutzmaterialien verwendet, führt diese Ablegespannung zu einer Formveränderung des netzförmigen Blitzschutzmaterials. Denn unter Zugspannung wird das netzförmige Blitzschutzmaterial in die Länge gezogen, wodurch es sich in einem Mittelbereich verjüngt. Es kann somit keine konstante Materialbreite und der dadurch entstehenden fehlenden Überlappungen kein homogener Widerstand gewährleistet werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Blitzschutzwerkstoff sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem integrierten Blitzschutz anzugeben, sodass der Blitzschutzwerkstoff auch mithilfe einer gattungsgemäß bekannten Faserlegeanlage automatisiert abgelegt werden kann, ohne hierbei die Blitzschutzfähigkeit zu beeinträchtigen.
Die Aufgabe wird mit dem Blitzschutzwerkstoff gemäß Anspruch 1, dem Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß Anspruch 7 sowie einem Faserverbundbauteil gemäß Anspruch 16 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Blitzschutzwerkstoff zur Integration in ein Bauteil (beispielsweise ein Faserverbundbauteil hergestellt aus einem Faserverbundwerkstoff) vorgeschlagen, der eingerichtet ist, mittels einer Legeanlage, insbesondere einer Faserlegeanlage, automatisiert auf einem Werkzeug bzw. einer Faserpreform abgelegt zu werden. Der Blitzschutzwerkstoff ist demzufolge so ausgebildet, dass er mittels einer herkömmlichen Faserlegeanlage, die beispielsweise aus DE 10 2010 015 027 A1 bekannt ist, in ein Formwerkzeug eingebracht werden kann.
Erfindungsgemäß weist der Blitzschutzwerkstoff eine elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage und eine Verstärkungslage auf, die mittels eines Matrixsystems flächig aneinandergefügt sind, wobei die Verstärkungslage in eine längsverlaufende Ablegerichtung formstabil ist.
Der Blitzschutzwerkstoff weist demzufolge zwei Hauptkomponenten auf, nämlich zum einen die eigentliche Blitzschutzlage, die aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, und zum anderen eine Verstärkungslage, die bei der Ablage des Blitzschutzwerkstoffes mittels einer automatisierten Legeanlage eine Formveränderung in Längsrichtung des Blitzschutzwerkstoffes verhindern soll. Aufgrund der Tatsache, dass die Verstärkungslage insbesondere in eine längsverlaufende Ablegerichtung formstabil kann verhindert werden, dass die netzförmige Blitzschutzlage während des Ablegens des Blitzschutzwerkstoffes mittels der Legeanlage in die Länge gezogen wird. Gleichzeitig kann jedoch gegenüber herkömmlichen, vollflächig ausgeführten Blitzschutzlagen trotz der Verwendung einer Verstärkungslage signifikant Gewicht eingespart werden.
Der erfindungsgemäße Blitzschutzwerkstoff weist demzufolge zwei wesentliche Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoffen auf. Zum einen weist der erfindungsgemäße Blitzschutzwerkstoff der vorliegenden Erfindung eine deutliche Reduktion des Gewichtes gegenüber herkömmlichen, vollflächig ausgeführten Blitzschutzlagen auf. Zum anderen kann der erfindungsgemäße Blitzschutzwerkstoff mithilfe einer herkömmlichen Faserlegeanlage automatisiert abgelegt werden. Es bedarf hierfür keiner zusätzlichen Anlagenteile und damit einhergehende Rüstzeiten.
Der Blitzschutzwerkstoff der vorliegenden Erfindung wird dabei vorzugsweise als quasiendloses Material bereitgestellt, beispielsweise aufgewickelt auf Spulen. Der Blitzschutzwerkstoff ist dabei insbesondere bandförmig bzw. bahnförmig und weist insbesondere eine Breite auf, die der Breite herkömmlicher quasiendlose Fasermaterialien (Tapes oder Tows) entspricht. Die Dicke des erfindungsgemäßen Blitzschutzwerkstoffes ist dabei so gewählt, dass der Blitzschutzwerkstoff durch eine gattungsgemäße Faserlegeanlage verarbeitet und abgelegt werden kann. Die Dicke entspricht insbesondere der Dicke herkömmlicher, quasiendlose Fasermaterialien, wie sie durch entsprechende gattungsgemäße Faserlegeanlagen verarbeitet und abgelegt werden.
Die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage weist eine Vielzahl von Maschen auf, die durch die netzförmige Ausgestaltung der Blitzschutzlage erzeugt werden. Das elektrisch leitfähige Material der Blitzschutzlage kann beispielsweise Kupfer oder andere, vorzugsweise gut leitende Metalle sein.
Die Verstärkungslage ist dabei erfindungsgemäß in eine längsverlaufende Ablegerichtung formstabil, sodass beim Ablegen des Blitzschutzwerkstoffes mittels einer Legeanlage unter Aufbringung einer Ablegespannung der Blitzschutzwerkstoff in Längsrichtung nicht verformt wird. Formstabil im Sinne der vorliegenden Erfindung meint hierbei, dass eine Formveränderung in Längsrichtung von mehr als 5 % verhindert wird. Eine Formveränderung zwischen 0 und 5 % wird dabei als Toleranz im Ablegeprozess angesehen.
Bei dem Matrixsystem des erfindungsgemäßen Blitzschutzwerkstoffes kann es sich um ein Material handeln, welches die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage und die Verstärkungslage aneinander fügt, und zwar derart, dass während des Ablegens des Blitzschutzwerkstoffes die Blitzschutzlage und die Verstärkungslage aneinandergefügt bleiben.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verstärkungslage aus einem Fasermaterial eines Faserverbundwerkstoffes bildet ist, bei dem die Verstärkungsfasern in Ablegerichtung ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist das Matrixsystem zum aneinander Anfügen der Blitzschutzlage und der Verstärkungslage ein Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes.
Dabei ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn der Faserverbundwerkstoff, der für die Verstärkungslage und gegebenenfalls auch für das Matrixsystem verwendet wird, dem Faserverbundwerkstoff entspricht, aus dem das gesamte Bauteil hergestellt werden soll. Hierdurch kann eine homogene Materialauswahl bei der Herstellung des Bauteils realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verstärkungslage des Blitzschutzwerkstoffes schmaler ist als die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage. Hierdurch kann weiter Gewicht eingespart werden, ohne die Formstabilität in Ablegerichtung zu gefährden.
Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass die schmalere Verstärkungslage derart an der elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage angeordnet ist, dass an beiden Längsseiten des Blitzschutzwerkstoffes längsverlaufende Überlappungsbereiche gebildet sind, die keine Verstärkungslage haben. In diesen Überlappungsbereichen kann der insbesondere bahnförmig ausgebildete Blitzschutzwerkstoff überlappend mittels der Legeanlage abgelegt werden, sodass sich aneinander angrenzende Blitzschutzlagen elektrisch kontaktieren. Gerade beigeschlossenen Formkörpern, wie beispielsweise einem Flugzeugrumpf, kann so ein faradayscher Käfig erzeugt werden, der einen sicheren Blitzschutz mittels des Blitzschutzwerkstoffes gewährleistet.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem integrierten Blitzschutz aus einem Blitzschutzwerkstoff gemäß Anspruch 7 gelöst, wobei der Faserverbundwerkstoff zumindest ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial aufweist. Im ersten Schritt werden dabei der Blitzschutzwerkstoff sowie der Faserverbundwerkstoff bereitgestellt.
Der Faserverbundwerkstoff kann dabei so bereitgestellt werden, dass das Fasermaterial sowie das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes zunächst getrennt vorliegen, wobei dann in einem Infusionsprozess bei der Herstellung des Faserverbundbauteils das Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert wird, sodass das Matrixmaterial das Fasermaterial entsprechend einbetten kann. Diesem Fall spricht man von trockenem Fasermaterial, das entsprechend bereitgestellt wird. Alternativ kann das Fasermaterial das Matrixmaterial auch zusammen bereitgestellt werden, indem das Matrixmaterial bereits in dem Fasermaterial enthalten ist. In diesem Fall spricht man von Prepreg-Fasermaterial (vorimprägniertes Fasermaterial). Bei dem Prepreg-Fasermaterial wird das Fasermaterial zusammen mit dem Matrixmaterial in das Formwerkzeug eingebracht, sodass ein eventueller Infusionsprozess optional ist.
Nach dem Bereitstellen werden das Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes sowie der Blitzschutzwerkstoff in ein Formwerkzeug eingebracht, indem das Fasermaterial und der Blitzschutzwerkstoff mittels einer robotergestützten Applikationseinrichtung (beispielsweise in Form einer gattungsgemäßen Faserlegeanlage) zur Bildung einer Faserpreform mit integriertem Blitzschutzwerkstoff in das Formwerkzeug abgelegt wird.
Je nachdem, ob es sich bei dem Formwerkzeug um ein positiv oder negativ Werkzeug handelt, wird zuerst der Blitzschutzwerkstoff in das Formwerkzeug eingebracht und anschließend auf den bereits applizierten Blitzschutzwerkstoff dann das Fasermaterial aufgetragen oder es wird zuerst das Fasermaterial in das Formwerkzeug eingebracht und zuletzt der Blitzschutzwerkstoff auf das bereits abgelegte Fasermaterial aufgebracht.
Nachdem die Faserpreform mit dem integrierten Blitzschutzwerkstoff in dem Formwerkzeug hergestellt wurde, wird das das Fasermaterial einbettende Matrixmaterial konsolidiert bzw. ausgehärtet, sodass Fasermaterial und Matrixmaterial zusammen mit dem Blitzschutzwerkstoff eine integrale Einheit bilden. Das Konsolidieren des Matrixmaterials kann dabei beispielsweise unter Temperaturbeaufschlagung und gegebenenfalls Druckbeaufschlagung auf die Faserpreform erfolgen.
Als Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes kommen insbesondere duroplastische oder thermoplastische Kunststoffe, silikonhaltige Kunststoffe sowie Harzsysteme in Betracht.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass ein Blitzschutzwerkstoff bereitgestellt wird, der eine elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage und eine Verstärkungslage hat, wobei die Verstärkungslage in eine längsverlaufende Ablegerichtung formstabil ist, wobei die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage und die Verstärkungslage des Blitzschutzwerkstoffes mittels der robotergestützten Applikationseinrichtung aneinander angefügt abgelegt werden.
Dabei kann der Blitzschutzwerkstoff so ausgebildet sein, dass die Blitzschutzlage und die Verstärkungslage im gefügten Zustand bereitgestellt werden, d. h. die Blitzschutzlage und die Verstärkungslage sind bereits aneinander angefügt und werden so durch die robotergestützte Applikationseinrichtung abgelegt. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Blitzschutzlage und die Verstärkungslage im getrennten Zustand bereitgestellt werden, wobei dann die robotergestützte Applikationseinrichtung die Blitzschutzlage und die Verstärkungslage vor dem eigentlichen Ablegen aneinander fügt und im gefügten Zustand ablegt. Dies setzt allerdings voraus, dass der Transport der Blitzschutzlage entlang der kinematischen Kette der robotergestützten Applikationseinrichtung im Wesentlichen kraftfrei in Ablegerichtung bzw. Transportrichtung erfolgt, sodass in Ablegerichtung bzw. Transportrichtung keine Zugspannung auf die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage ausgeübt wird, die dazu führt, dass die Blitzschutzlage in Längsrichtung ihre Form verändert.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Blitzschutzwerkstoff dem zuvor beschriebenen Blitzschutzwerkstoff entspricht und deren Merkmale hat.
Wie bereits erwähnt ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage und die Verstärkungslage des Blitzschutzwerkstoffes getrennt voneinander bereitgestellt und vor dem Ablegen durch die robotergestützte Applikationseinrichtung aneinander angefügt werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Blitzschutzwerkstoff bahnförmig ausgebildet ist, sodass mittels der robotergestützten Applikationseinrichtung der Blitzschutzwerkstoff bahnweise abgelegt werden kann. Bei einer gattungsgemäßen Faserlegeanlage entspricht dies der herkömmlichen Applikationsform, indem Bahn für Bahn das Fasermaterial bzw. der Blitzschutzwerkstoff in das Formwerkzeug abgelegt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Blitzschutzwerkstoff überlappend mittels der robotergestützten Applikationseinrichtung abgelegt wird, wobei sich eine erste Applikationslage des Blitzschutzwerkstoffes und wenigstens eine zweite Applikationslage des Blitzschutzwerkstoffes in einem Überlappungsbereich derart überlappen, dass sich im Überlappungsbereich die elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlagen der Applikationslagen kontaktieren. Durch das kontaktieren der elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlagen kann die Fläche des Blitzschutzes des Bauteils entsprechend vergrößert werden, ohne dass entsprechend große Blitzschutzlagen abgelegt werden müssen. Vielmehr reicht es aus, wenn der Blitzschutzwerkstoff bahnweise abgelegt wird und sich die Blitzschutzlagen entsprechend elektrisch kontaktieren.
Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass der Blitzschutzwerkstoff derart überlappend abgelegt wird, dass sich alle benachbarten Applikationslagen des Blitzschutzwerkstoffes in ihrem jeweiligen Überlappungsbereichen überlappen. Hierdurch kann insbesondere bei Rumpfstrukturen oder Chassis ein faradayscher Käfig mit dem Blitzschutzwerkstoff erstellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine erste Gruppe Applikationslagen des Blitzschutzwerkstoffes jeweils unter Bildung eines Zwischenraumes voneinander beabstandet und eine zweite Gruppe Applikationslagen des Blitzschutzwerkstoffes im Bereich der gebildeten Zwischenräume derart abgelegt werden, dass sich die Applikationslagen der ersten Gruppe mit jeweils benachbarten Applikationslagen der zweiten Gruppe in einem Überlappungsbereich überlappen und die elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlagen der Applikationslagen der ersten Gruppe mit den elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlagen der Applikationslagen der zweiten Gruppe elektrisch kontaktiert sind.
Hierbei werden zunächst alle Applikationslagen der ersten Gruppe abgelegt, wobei diese Applikationslagen der ersten Gruppe sich nicht kontaktieren. Anschließend wird die zweite Gruppe Applikationslagen in die gebildeten Zwischenräume zwischen zwei Applikationslagen der ersten Gruppe abgelegt, sodass sich die Blitzschutzlagen der ersten Gruppe Applikationslagen und der zweiten Gruppe Applikationslagen entsprechend elektrisch kontaktieren. Mit anderen Worten, zwei Blitzschutzlagen der ersten Gruppe Applikationslagen, die durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet sind, werden durch eine in diesen Zwischenraum eingebrachte Applikationslagen der zweiten Gruppe mittels der Blitzschutzlage dieser Applikationslage entsprechend elektrisch miteinander verbunden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die erste Gruppe Applikationslagen mit der Verstärkungslage des Blitzschutzwerkstoffes und die zweite Gruppe Applikationslagen mit der elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlage des Blitzschutzwerkstoffes in Richtung Formwerkzeug oder in Richtung Faserpreform (aufweisend das bereits abgelegte Fasermaterial) abgelegt werden. Die Applikationslagen werden dabei wechselseitig so abgelegt, dass sich ihre jeweiligen Blitzschutzlagen elektrisch kontaktieren.
Dies ist vorteilhaft, wenn der Blitzschutzwerkstoff so bereitgestellt wird, dass die Blitzschutzlage und die Verstärkungslage einer im Wesentlichen identische materialbereiter haben, sodass in den Randbereichen des Blitzschutzwerkstoffes keine Überlappungsbereiche der Blitzschutzlage entstehen. Durch das Ablegen des Blitzschutzwerkstoffes derart, dass die Blitzschutzlage der ersten Gruppe Applikationslagen der Blitzschutzlage der zweiten Gruppe Applikationslagen zugewandt ist, können sich die Blitzschutzlagen der ersten Gruppe Applikationslagen und der zweiten Gruppe Applikationslagen kontaktieren, um so die Fläche des Blitzschutzes des Bauteils entsprechend zu vergrößern.
Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass die erste Gruppe Applikationslagen und die zweite Gruppe Applikationslagen mit der elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlage oder der Verstärkungslage des Blitzschutzwerkstoffes in Richtung Formwerkzeug oder in Richtung Faserpreform abgelegt werden, wobei die zweiten Gruppe Applikationslagen durch Beaufschlagung einer Anpresskraft in die Zwischenräume gepresst werden.
In diesem Fall zeigt die Blitzschutzlage bzw. die Verstärkungslage beider Gruppen Applikationslagen in dieselbe Richtung. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn im Randbereich des Blitzschutzwerkstoffes einem Überlappungsbereich vorgesehen ist, um so die Blitzschutzlagen des Blitzschutzwerkstoffes überlappend ablegen zu können. Hierfür ist die Verstärkungslage des Blitzschutzwerkstoffes schmaler als die Blitzschutzlage, sodass die Blitzschutzlagen im Überlappungsbereich elektrisch miteinander kontaktiert werden können. Durch das Beaufschlagen einer Anpresskraft werden dabei die Applikationslagen der zweiten Gruppe in die Zwischenräume gepresst, sodass sich auf der Oberfläche eine ebene und vor allem plane Struktur ergibt. Dies ist dann vorteilhaft, wenn der Blitzschutzwerkstoff als letztes auf die bereits bestehende Faserpreform abgelegt wird.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Faserverbundbauteil aufweisend ein Faserverbundwerkstoff gemäß Anspruch 16 gelöst, wobei das Faserverbundbauteil einem integrierten Blitzschutz hat und gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellung einer gattungsgemäßen Faserlegeanlage;
2 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Blitzschutzwerkstoffes in zwei Ausführungsvariante;
3 schematische Darstellung einer ersten Legevariante;
4 schematische Darstellung einer zweiten Legevariante;
5 schematische Darstellung einer dritten Legevariante.

1 zeigt eine gattungsgemäße Faserlegeanlage 10, die eine robotergestützte Applikationseinrichtung 12 hat. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die robotergestützte Applikationseinrichtung 12 als Knickarmroboter ausgebildet, an dem als Endeffektor ein Faserlegekopf 14 angeordnet ist. In einem Materialspeicher 16 wird dabei ein Fasermaterial 18 (trocken oder vorimprägniert) eines Faserverbundwerkstoffes bereitgestellt, wobei mithilfe einer nicht dargestellten Faserführungseinrichtung das Fasermaterial 18 von dem Materialspeicher 16 zum Faserlegekopf 14 transportiert wird. Mithilfe des Faserlegekopfes 14 wird nun das dem Faserlegekopf 14 zugeführte Fasermaterial 18 auf einem Formwerkzeug 20 abgelegt.
In dem Materialspeicher 16 ist des Weiteren ein bandförmiger bzw. bahnförmiger Blitzschutzwerkstoff 100 enthalten, der ebenfalls mithilfe der nicht dargestellten Faserführungseinrichtung zu dem Faserlegekopf 14 geführt wird, sodass der Blitzschutzwerkstoff 100 mithilfe der robotergestützten Applikationseinrichtung 12 auf dem Formwerkzeug 20 abgelegt werden kann. Damit kann sowohl das Fasermaterial als auch der Blitzschutzwerkstoff mit einem derselben Faserlegeanlage 10 bzw. robotergestützten Applikationseinrichtung 12 abgelegt werden.
2 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung den Aufbau des erfindungsgemäßen Blitzschutzwerkstoffes 100 der Blitzschutzwerkstoff 100 hat dabei eine Blitzschutzlage 110 sowie eine Verstärkungslage 120 die mithilfe eines Matrixsystems 130 aneinandergefügt sind. Die Verstärkungslage 120 weist dabei eine Vielzahl von Verstärkungsfasern 122 auf die in Ablegerichtung (gekennzeichnet durch den Pfeil) der Verstärkungslage 120 die Formstabilität verleihen. Hierdurch wird verhindert, dass die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage 110 beim Ablegen des Blitzschutzwerkstoffes in Ablegerichtung in die Länge gezogen wird. Vielmehr wird durch die Verstärkungslage 120 erreicht, dass der gesamte Blitzschutzwerkstoff 100 in Ablegerichtung keine Formveränderung ausführt, wenn der Blitzschutzwerkstoff 100 auf dem Formwerkzeug unter Aufbringung einer Zugspannung abgelegt wird.
In der linken Abbildung der 2 ist dabei ein Blitzschutzwerkstoff 100 dargestellt, bei dem die Verstärkungslage 120 schmaler ist als die Blitzschutzlage 110. Hierdurch entstehen in den Randbereichen des Blitzschutzwerkstoffes Überlappungsbereiche 140, mit deren Hilfe beim Ablegen des Blitzschutzwerkstoffes 100 eine Kontaktierung benachbarter Applikationslagen des Blitzschutzwerkstoffes 100 erreicht werden kann.
In der rechten Abbildung der 2 weist die Verstärkungslage 120 die gleiche Breite auf, wie die Blitzschutzlage 110, sodass hier keine Überlappungsbereiche 140 entstehen.
In 3 ist schematisch die Ablage mehrerer Applikationslagen 210 bis 250 gezeigt, die entsprechend überlappend abgelegt wurden. Wie zu erkennen ist, wurde für alle Applikationslagen 210 bis 250 ein Blitzschutzwerkstoff 100 verwendet, bei dem die Verstärkungslage 120 schmaler ist als die Blitzschutzlage 110 (siehe 2, linke Ausführungsform).
Dabei wurde in einem ersten Schritt zunächst eine erste Gruppe Applikationslagen 210, 230 und 250 abgelegt, wobei die erste Gruppe Applikationslagen 210, 32 und 250 unter Bildung eines Zwischenraumes 300 abgelegt wurden. In diesem Bereich der Zwischenräume 300 wird nun eine zweite Gruppe Applikationslagen 220 und 240 abgelegt, wobei die Blitzschutzlage 110 der zweiten Gruppe Applikationslagen 220, 240 den Überlappungsbereich 140 der Blitzschutzlage 110 der ersten Gruppe Applikationslagen 210, 230, 250 kontaktiert.
Mit anderen Worten, die Applikationslage 210, die zur ersten Gruppe gehört, weist einen Überlappungsbereich 140 auf, der durch die Blitzschutzlage 110 der Applikationslage 220 der zweiten Gruppe elektrisch kontaktiert wird.
Wie in 3 gezeigt, werden die Applikationslagen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe mit identischer Ausrichtung abgelegt, d. h. die Blitzschutzlage 110 und die Verstärkungslage 120 jeder Applikationslage 210 bis 250 egal welcher Gruppe zeigt dabei in die gleiche Richtung, d. h. entweder weg von dem Formwerkzeug oder in Richtung Formwerkzeug.
Eine alternative Ablegenform ist in 4 gezeigt, bei der die zweite Gruppe Applikationslagen 220, 240 mit alternierende Ausrichtung abgelegt wurden. Der Zwischenraum 300 zwischen 2 benachbarten Applikationslagen der ersten Gruppe entspricht dabei der Breite der Verstärkungslage 120 der Applikationslagen der zweiten Gruppe 22, 240, sodass diese Verstärkungslage in 120 in die entsprechenden Zwischenräume 300 passt. Hierdurch kann sowohl ein elektrisches Kontaktieren der Blitzschutzlagen 110 über alle Applikationslagen hinweg realisiert werden als auch eine plane und ebene Oberfläche.
5 zeigt schließlich eine Ausführungsform, bei der ein Blitzschutzwerkstoff 100 verwendet wird, wie er in 2 rechten Seite gezeigt ist. Dabei sind die Verstärkungslage 120 und die Blitzschutzlagen 110 gleich breit. Auch im Ausführungsbeispiel der 5 wird zunächst eine erste Gruppe Applikationslagen 210, 230 abgelegt unter Bildung eines Zwischenraumes 300. Anschließend wird eine zweite Gruppe Applikationslagen 220 abgelegt, wobei diese Applikationslage 220 so abgelegt wird, dass die Blitzschutzlage 110 der zweiten Gruppe Applikationslagen 220 die Blitzschutzlage 110 der ersten Gruppe Applikationslagen 210, 230 elektrisch kontaktiert. Dies wird dadurch realisiert, dass die Blitzschutzlagen 110 der ersten Gruppe in Richtung der Blitzschutzlagen 110 der zweiten Gruppe Applikationslagen ausgerichtet wird und andersherum, sodass die Blitzschutzlagen der ersten der zweiten Gruppe einander zugewandt sind.
Bezugszeichenliste

10: Faserlegeanlage
12: robotergestützte Applikationseinrichtung
14: Faserlegekopf
16: Materialspeicher
18: Fasermaterial
20: Formwerkzeug
100: Blitzschutzwerkstoff
110: Blitzschutzlage
120: Verstärkungslage
122: Verstärkungsfasern
130: Matrixsystem
140: Überlappungsbereich
210: Applikationslage der ersten Gruppe
220: Applikationslage der zweiten Gruppe
230: Applikationslage der ersten Gruppe
240: Applikationslage der zweiten Gruppe
250: Applikationslage der ersten Gruppe
300: Zwischenraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017102045 A1 [0008]
DE 102011086101 A1 [0009, 0012]
DE 102010015027 A1 [0011, 0016]

Claims

Blitzschutzwerkstoff (100) zur Integration in ein Bauteil eingerichtet zur automatisierten Ablage mittels einer Legeanlage, dadurch gekennzeichnet, dass der Blitzschutzwerkstoff (100) eine elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage (110) und eine Verstärkungslage (120) hat, die mittels eines Matrixsystems (130) flächig aneinander gefügt sind, wobei die Verstärkungslage (120) in eine längsverlaufende Ablegerichtung formstabil ist.
Blitzschutzwerkstoff (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungslage (120) aus einem Fasermaterial (18) eines Faserverbundwerkstoffes gebildet ist, bei dem die Verstärkungsfasern (122) in Ablegerichtung ausgerichtet sind.
Blitzschutzwerkstoff (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixsystem (130) ein Matrixmaterial eines Faserverbundwerkstoffes ist.
Blitzschutzwerkstoff (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungslage (120) des Blitzschutzwerkstoffes (100) schmaler ist als die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage (110).
Blitzschutzwerkstoff (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schmalere Verstärkungslage (120) derart an der elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage (110) angeordnet ist, dass an beiden Längsseiten des Blitzschutzwerkstoffes (100) längsverlaufende Überlappungsbereiche (140) gebildet sind, die keine Verstärkungslage (120) haben.
Blitzschutzwerkstoff (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage (110) aus einem Kupfermaterial gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem integrierten Blitzschutz aus einem Blitzschutzwerkstoff (100), wobei der Faserverbundwerkstoff zumindest ein Fasermaterial (18) und ein das Fasermaterial (18) einbettendes Matrixmaterial aufweist, mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen des Blitzschutzwerkstoffes (100) sowie des Faserverbundwerkstoffes; - Ablegen des Fasermaterials (18) des Faserverbundwerkstoffes und des Blitzschutzwerkstoffes (100) in ein Formwerkzeug (20) mittels einer robotergestützten Applikationseinrichtung (12) zur Bildung einer Faserpreform mit integriertem Blitzschutzwerkstoff (100); und - Herstellen des Faserverbundbauteils aus der Faserpreform mit dem integrierten Blitzschutzwerkstoff (100) durch Konsolidieren des das Fasermaterial (18) einbettenden Matrixmaterials; dadurch gekennzeichnet, dass - ein Blitzschutzwerkstoff (100) bereitgestellt wird, der eine elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage (110) und eine Verstärkungslage (120) hat, wobei die Verstärkungslage (120) in eine längsverlaufende Ablegerichtung formstabil ist, - wobei die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage (110) und die Verstärkungslage (120) des Blitzschutzwerkstoffes (100) mittels der robotergestützten Applikationseinrichtung (12) aneinander angefügt abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blitzschutzwerkstoff (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige, netzförmige Blitzschutzlage (110) und die Verstärkungslage (120) des Blitzschutzwerkstoffes (100) getrennt voneinander bereitgestellt und vor dem Ablegen durch die robotergestützte Applikationseinrichtung (12) aneinander angefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der robotergestützten Applikationseinrichtung (12) der Blitzschutzwerkstoff (100) bahnweise abgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Blitzschutzwerkstoff (100) überlappend mittels der robotergestützten Applikationseinrichtung (12) abgelegt wird, wobei sich eine erste Applikationslage (210) des Blitzschutzwerkstoffes (100) und wenigstens eine zweite Applikationslage (220) des Blitzschutzwerkstoffes (100) in einem Überlappungsbereich (140) derart überlappen, dass sich im Überlappungsbereich (140) die elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlagen (110) der Applikationslagen (210, 220, 230, 240, 250) kontaktieren.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Blitzschutzwerkstoff (100) derart überlappend abgelegt wird, dass sich alle benachbarten Applikationslagen (210, 220, 230, 240, 250) des Blitzschutzwerkstoffes (100) in ihrem jeweiligen Überlappungsbereichen (140) überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe Applikationslagen (210) des Blitzschutzwerkstoffes (100) jeweils unter Bildung eines Zwischenraumes (300) voneinander beabstandet und eine zweite Gruppe Applikationslagen (220) des Blitzschutzwerkstoffes (100) im Bereich der gebildeten Zwischenräume (300) derart abgelegt werden, dass sich die Applikationslagen (210) der ersten Gruppe mit jeweils benachbarten Applikationslagen (220) der zweiten Gruppe in einem Überlappungsbereich (140) überlappen und die elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlagen (110) der Applikationslagen (210) der ersten Gruppe mit den elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlagen (110) der Applikationslagen (220) der zweiten Gruppe elektrisch kontaktiert sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe Applikationslagen (210) mit der Verstärkungslage (120) des Blitzschutzwerkstoffes (100) und die zweite Gruppe Applikationslagen (220) mit der elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlage (110) des Blitzschutzwerkstoffes (100) in Richtung Formwerkzeug (20) oder in Richtung Faserpreform abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe Applikationslagen (210) und die zweite Gruppe Applikationslagen (220) mit der elektrisch leitfähigen, netzförmigen Blitzschutzlage (110) oder der Verstärkungslage (120) des Blitzschutzwerkstoffes (100) in Richtung Formwerkzeug (20) oder in Richtung Faserpreform abgelegt werden, wobei die zweiten Gruppe Applikationslagen (220) durch Beaufschlagung einer Anpresskraft in die Zwischenräume (300) gepresst werden.
Faserverbundbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem integrierten Blitzschutz aus einem Blitzschutzwerkstoff (100) erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 15.