DE102019208677A1

DE102019208677A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils, Hybridbauteil und Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019208677A1
Application number: DE102019208677.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Hanisch; Markus Rettenmaier
Original assignee: Premium Aerotec GmbH
Current assignee: Premium Aerotec GmbH
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-12-17

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils umfasst ein schichtweises Aufbauen eines Metallteils mittels eines 3D-Druckverfahrens, wobei eine Verbindungsoberfläche des Metallteils mit einer Vielzahl von vorspringenden Pins ausgebildet wird, ein Anordnen eines faserverstärkten Kunststoffteils, welches eine Vielzahl von Verstärkungsfasern aufweist, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial eingebettet sind, an der Verbindungsoberfläche des Metallteils, ein Erwärmen des Matrixmaterials auf eine Temperatur, bei welcher das Matrixmaterial fließfähig ist, ein Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils und des Metallteils, so dass die Pins des Metallteils in das fließfähige Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils eindringen, und ein Konsolidieren des Matrixmaterials unter Aufbringung eines Konsolidierungsdrucks. Bei einem weiteren Verfahren wird die Verbindungsoberfläche des Metallteils mit einer Vielzahl von Nuten ausgebildet und das Matrixmaterial oder ein anderes Thermoplastmaterial dringt in die Nuten ein und füllt diese.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils, ein Hybridbauteil und ein Luftfahrzeug mit einem solchen Hybridbauteil.
Faserverbundbauteile bzw. faserverstärkte Kunststoffteile, bei welchen eine oder mehrere Lagen von Verstärkungsfasern in ein Kunststoff-Matrixmaterial eingebettet sind, werden aufgrund deren hoher Festigkeit bei geringem Gewicht typischerweise als Strukturbauteile, z.B. in Luftfahrzeugen oder im Fahrzeugbau, eingesetzt. Ferner werden zunehmend sogenannte Hybridbauteile verwendet, welche ein Kunststoffteil und ein Metallteil aufweisen, wobei das Kunststoffteil und das Metallteil miteinander verklebt, verschweißt oder mittels Nieten oder Bolzen verbunden sind. Diese Bauweise bietet vielfältige Vorteile. Beispielsweise kann die typischerweise hohe mechanische Verschleißfestigkeit von Metallteilen mit dem geringen Gewicht von Kunststoffteilen kombiniert werden.
Bei der Herstellung von Hybridbauteilen liegt eine Herausforderung darin, eine zuverlässige und mechanisch hochbelastbare Verbindung zwischen dem Metallteil und dem Kunststoffteil herzustellen. Vor diesem Hintergrund beschreibt die US 2017/0136668 A1 ein Verfahren, bei dem eine Verbindungsoberfläche des Metallteils mittels eines Lasers strukturiert wird, um Hinterschnitte herzustellen, welche Dimensionen im µm-Bereich aufweisen. Anschließend wird in einem Spritzgussprozess das Kunststoffteil auf die Verbindungsoberfläche aufgespritzt und dringt dadurch in die Hinterschnitte ein.
Die DE 101 49 633 A1 beschreibt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils, wobei ein Metallteil, welches einen über eine Verbindungsoberfläche vorstehenden Stanzrand aufweist, mit einem Kunststoffteil formschlüssig verbunden wird, indem der Stanzrand in das Kunststoffteil eingepresst wird.
Es ist eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, verbesserte Lösungen für die Verbindung von Kunststoffteilen und Metallteilen in Hybridbauteilen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein schichtweises Aufbauen eines Metallteils mittels eines 3D-Druckverfahrens, wobei eine Verbindungsoberfläche des Metallteils mit einer Vielzahl von vorspringenden Pins ausgebildet wird, ein Anordnen eines faserverstärkten Kunststoffteils, welches eine Vielzahl von Verstärkungsfasern aufweist, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial eingebettet sind ,an der Verbindungsoberfläche des Metallteils, ein Erwärmen des Matrixmaterials auf eine Temperatur, bei welcher das Thermoplastmaterial bzw. das thermoplastische Matrixmaterial fließfähig ist, ein Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils und des Metallteils, so dass die Pins des Metallteils in das fließfähige Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils eindringen und ein Konsolidieren des Matrixmaterials unter Aufbringung eines Konsolidierungsdrucks.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird zunächst ein Metallteil in einem 3D-Druckverfahren hergestellt, also mittels eines generativen oder additiven Herstellungsverfahrens, bei welchem das Metallteil schichtweise ausgehend von einem digitalisierten geometrischen Modell des Metallteils ein oder mehrere Ausgangsmaterialien sequentiell in Lagen übereinandergeschichtet werden, abkühlen und erstarren. Hierbei wird eine Verbindungsoberfläche, z.B. eine ebene Fläche des Metallteils hergestellt, welche eine Vielzahl von Vorsprüngen oder Pins aufweist. Ein faserverstärktes Kunststoffteil, welches eine Vielzahl von Verstärkungsfasern aufweist, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial eingebettet sind, wird an der Verbindungsfläche angeordnet, z.B. mit den Pins in Kontakt gebracht. Weiterhin wird das thermoplastische Material des faserverstärkten Kunststoffteils erwärmt, wobei entweder das metallische Bauteil oder das Kunststoffteil oder beide Teile erwärmt werden. Das thermoplastische Material des Kunststoffteils wird insbesondere abhängig von dessen Schmelz- oder Glasübergangstemperatur erwärmt, um dieses in einen fließfähigen, viskosen Zustand zu überführen. Durch Aufbringung von Druck, z.B. mittels eines Presswerkzeugs, werden das Kunststoffteil und das Metallteil zusammengepresst und dadurch die Pins zumindest soweit in den Querschnitt des Kunststoffteils eingeführt, dass diese in das thermoplastische Material und vorzugsweise bis in einen Bereich des Querschnitt des Kunststoffteils hineinragen, in welchem Verstärkungsfasern vorhanden sind. Anschließend erfolgt unter Aufbringung eines vorbestimmten Drucks ein Konsolidieren des Matrixmaterials, also ein Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelz- oder Glasübergangstemperatur.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils vorgesehen. Das Verfahren gemäß diesem Aspekt der Erfindung umfasst ein schichtweises Aufbauen eines Metallteils mittels eines 3D-Druckverfahrens, wobei eine Verbindungsoberfläche des Metallteils mit einer Vielzahl von Nuten ausgebildet wird, ein Ausbilden einer Schichtanordnung aus dem Metallteil und einem faserverstärkten Kunststoffteil, welches eine Vielzahl von Verstärkungsfasern aufweist, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial eingebettet sind, wobei das faserverstärkte Kunststoffteil mit oder ohne eine zusätzlich zwischen dem faserverstärkten Kunststoffteil und der Verbindungsoberfläche positionierten Zwischenlage an der Verbindungsoberfläche des Metallteils angeordnet wird, ein Erwärmen des Matrixmaterials oder des Matrixmaterials und des Materials der Zwischenlage auf eine Temperatur, bei welcher Matrixmaterialmaterial fließfähig ist oder das Matrixmaterial und des Material der Zwischenlage fließfähig sind, insbesondere abhängig von einer Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials, ein Zusammenpressen des Kunststoffteils und des Metallteils, so dass das Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils in die Nuten des Metallteils eindringt oder das Material der Zwischenlage in die Nuten des Metallteils eindringt und stoffschlüssig mit dem Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils verbunden wird, und ein Konsolidieren des Thermoplastmaterials bzw. des Matrixmaterials unter Aufbringung eines Konsolidierungsdrucks.
Auch gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird zunächst ein Metallteil in einem 3D-Druckverfahren hergestellt, also mittels eines generativen oder additiven Herstellungsverfahrens, bei welchem das Metallteil schichtweise ausgehend von einem digitalisierten geometrischen Modell des Metallteils ein oder mehrere Ausgangsmaterialien sequentiell in Lagen übereinandergeschichtet werden, abkühlen und erstarren. Hierbei wird eine Verbindungsoberfläche, z.B. eine ebene Fläche des Metallteils hergestellt, welche eine Vielzahl von Vertiefungen bzw. Nuten aufweist. Ein faserverstärktes Kunststoffteil, welches eine Vielzahl von Verstärkungsfasern aufweist, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial eingebettet sind, wird an der Verbindungsfläche angeordnet, z.B. direkt mit der Verbindungsfläche in Kontakt gebracht. Alternativ kann zwischen dem Kunststoffteil und der Verbindungsoberfläche des Metallteils eine Zwischenlage, z.B. in Form einer flächigen Matte angeordnet werden. Weiterhin wird das thermoplastische Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils und gegebenenfalls die Zwischenlage erwärmt, wobei entweder das metallische Bauteil oder das faserverstärkte Kunststoffteil mitsamt der gegebenenfalls vorhandenen Zwischenlage oder alle drei Teile erwärmt werden. Das thermoplastische Matrixmaterial des Kunststoffteils wird insbesondere abhängig von dessen Schmelz- oder Glasübergangstemperatur erwärmt um dieses in einen fließfähigen, viskosen Zustand zu überführen. Falls eine Zwischenlage vorgesehen ist, wird diese ebenfalls erwärmt, um in einen fließfähigen Zustand überzugehen. Durch Aufbringung von Druck, z.B. mittels eines Presswerkzeugs, werden das faserverstärkte Kunststoffteil und das Metallteil und gegebenenfalls die Zwischenlage zusammengepresst. Dadurch dringt das thermoplastische Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils in die Nuten ein und füllt diese aus. Falls eine Zwischenlage vorgesehen ist, wird diese in die Nuten hineingedrückt und füllt diese aus. Ferner wird die Zwischenlage stoffschlüssig mit dem thermoplastischen Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils verbunden. Anschließend erfolgt unter Aufbringung eines vorbestimmten Drucks und ein Konsolidieren des Thermoplastmaterials bzw. des Matrixmaterials des faserverstärkten Kunststoffteils und optional der Zwischenlage, also ein Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelz- oder Glasübergangstemperatur.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Hybridbauteil vorgesehen. Das Hybridbauteil umfasst ein durch ein 3D-Druckverfahren hergestelltes Metallteil mit einer Verbindungsoberfläche, welche eine Vielzahl von Nuten und/oder eine Vielzahl von vorspringenden Pins aufweist, und ein mit der Verbindungsoberfläche verbundenes faserverstärktes Kunststoffteil, welches eine Vielzahl von Verstärkungsfasern aufweist, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial eingebettet sind, wobei die Nuten der Verbindungsoberfläche des Metallteils mit dem Matrixmaterial gefüllt sind und/oder die Pins in das Matrixmaterial hineinragen.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Ideen besteht darin, ein Hybridbauteil herzustellen, indem ein Metallteil durch ein 3D-Druckverfahren mit Verbindungsstrukturen in Form von Nuten und/oder Pins hergestellt wird und dieses Metallteil dann mit einem Kunststoffteil aus faserverstärktem Thermoplastmaterial, das auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Thermoplastmaterial fließfähig ist, zu verpressen. Dadurch werden die Nuten mit Thermoplastmaterial bzw. Matrixmaterial gefüllt bzw. die Pins dringen in das Matrixmaterial und vorzugsweise bis in die Faserlagen des faserverstärkten Kunststoffteils ein. Ferner kommt das faserverstärkte Kunststoffteil in flächige Anlage an die Verbindungsoberfläche des Metallteils.
Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, dass durch das 3D-Drucken des Metallteils in besonders effizienter und flexibler Weise Verbindungsstrukturen mit Dimensionen im mm-Bereich (etwa 1/10 mm bis 10 mm) herstellbar sind, welche zur Wechselwirkung mit dem thermoplastischen Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils geeignet sind. Das Matrixmaterial wird in eine Vielzahl Nuten eingeführt bzw. umschließt eine Vielzahl von Pins, wodurch eine im Wesentlichen flächige Krafteinleitung von dem Metallbauteil in das Kunststoffbauteil. Sowohl beim Vorsehen von Nuten als auch beim Vorsehen von Pins kann eine Beschädigung der Verstärkungsfasern des Kunststoffbauteils größtenteils vermieden werden, wodurch das Kunststoffbauteil deutlich weniger geschwächt wird, als dies bei einer klassischen Nietverbindung zwischen Metallteil und faserverstärktem Kunststoffteil der Fall wäre. Selbstverständlich können solche Nietverbindungen zusätzlich zu den Pins oder Nuten vorgesehen sein.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ist ein Luftfahrzeug mit einem Hybridbauteil nach dem dritten Aspekt der Erfindung vorgesehen. Beispielsweise kann das Hybridbauteil eine Bremsklappe eines Flügels des Luftfahrzeugs bilden. Hierbei ist das faserverstärkte Kunststoffteil vorzugsweise als eine flächige Platte ausgebildet, welche als Strömungsfläche vorgesehen ist, und das Metallteil kann als ein Lasteinleitungselement mit einer Gelenkausnehmung zur Aufnahme eines Lagerbolzens ausgebildet sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den auf die unabhängigen Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung. Allgemein gilt, dass die zu einem Aspekt der Erfindung offenbarten Merkmale und Vorteile auch für die jeweils anderen Aspekte der Erfindung offenbart sind. Insbesondere sind die im Zusammenhang mit den Verfahren gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung beschriebenen Merkmale und Vorteile auch für das Hybridbauteil gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung offenbart und umgekehrt. Die zu einem Verfahren gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten selbstverständlich auch für das Verfahren des jeweils anderen Aspekts der Erfindung.
Das Metallteil kann insbesondere aus einem Titanmaterial, z.B. Titan bzw. einer Titanlegierung, oder aus einem Aluminiummaterial, z.B. Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, hergestellt sein.
Das faserverstärkte Kunststoffteil weist allgemein ein thermoplastisches Matrixmaterial auf, in welches eine Vielzahl von insbesondere fadenförmigen oder fadenstückförmigen Verstärkungsfasern eingebettet sind, wie beispielsweise Kohle-, Glas-, Keramik-, Aramid-, Bor-, Mineral-, Natur- oder Kunststofffasern oder Mischungen aus diesen.
Gemäß einer Ausführungsform können die Pins einen von der Verbindungsoberfläche des Metallteils vorspringenden Basisabschnitt und einen von der Verbindungsoberfläche abgewandt gelegenen Endabschnitt aufweisen, welcher seitlich über den Basisabschnitt vorsteht. Die Pins können beispielsweise mit einem Kopf versehen sein, welcher einen größeren Durchmesser aufweist als ein den Basisabschnitt bildender Schaft. Der Kopf ist hierbei nicht auf eine bezüglich einer Längsachse des Basisabschnitts symmetrische Anordnung beschränkt, sondern kann auch asymmetrisch relativ zur Längsachse angeordnet sein. Der Endabschnitt kann ferner spitz zulaufen, wodurch das Eindringen in das Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils erleichtert wird. Der Basisabschnitt kann allgemein säulenförmig gestaltet sein. Dies umfasst insbesondere sowohl eine zylindrische Form mit kreisförmiger oder polygonaler Grundfläche als auch eine polyedrische Form mit gekrümmten Teilflächen. Da der Endabschnitt eines jeweiligen über den Basisabschnitt des Pins vorsteht, bildet der Pin eine Hinterschneidung aus, welche nach dem Zusammenpressen von Kunststoffteil und Metallteil von thermoplastischem Matrixmaterial umgeben bzw. umschlossen ist. Dadurch werden die Festigkeit und die Haltbarkeit der Verbindung zwischen Metallteil und Kunststoffteil weiter verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Pins mit einer Höhe in einem Bereich zwischen 1 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 8 mm von der Verbindungsoberfläche des Metallteils vorspringen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Pin zu jedem weiteren benachbart zu diesem angeordneten Pin einen Abstand aufweisen, welcher zumindest dem 1,3-fachen eines maximalen Durchmessers des Pins entspricht. Optional kann ein Pin zu jedem weiteren benachbart zu diesem angeordneten Pin einen Abstand aufweisen, welcher maximal dem 15-fachen eines minimalen Durchmessers des Pins entspricht. In diesem Bereich der Abstände der Pins zueinander eine flächige Krafteinleitung vom Metallteil in das Kunststoffteil weiter erleichtert. Ein minimaler Durchmesser der Pins kann beispielsweise im Bereich von 0,5 mm liegen. Ein maximaler Durchmesser der Pins kann beispielsweise im Bereich von 1,5 mm liegen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Pins beim Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils und des Metallteils in einen Querschnittsbereich des Kunststoffteils eindringen, in welchem Verstärkungsfasern vorhanden sind. Die Pins werden hierzu beim Herstellen des Metallteils z.B. mit einer Höhe von der Verbindungsoberfläche des Metallteils vorspringend ausgebildet, die kleiner ist als eine Dicke des faserverstärkten Kunststoffteils und die größer ist als eine Dicke einer faserfreien Randschicht des faserverstärkten Kunststoffteils. Die Pins verdrängen die Verstärkungsfasern beim Eindringen in seitlicher Richtung, so dass die Verstärkungsfasern an den Pins anliegen bzw. die Pins umgeben, was die Festigkeit der Verbindung zwischen Metallteil und faserverstärktem Kunststoffteil weiter verbessert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Pins einen von der Verbindungsoberfläche des Metallteils vorspringenden Basisabschnitt und einen von der Verbindungsoberfläche abgewandt gelegenen Endabschnitt aufweisen, welcher seitlich über den Basisabschnitt vorsteht, wie oben beschrieben. Hierdurch kann der Kopf die Verstärkungsfasern in Bezug auf die Dicke des Kunststoffteils hintergreifen. Der Kopf bildet somit eine Art Widerhaken, welcher mit den Verstärkungsfasern verhakt wird. Dadurch wird Festigkeit der Verbindung weiter verbessert, da eine direkte mechanische Kopplung zwischen den Pin und den Verstärkungsfasern gebildet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Pins mit einer Höhe von der Verbindungsoberfläche des Metallteils vorspringen, die größer ist als eine Dicke des faserverstärkte Kunststoffteils, so dass die Pins beim Zusammenpressen des Kunststoffteils und des Metallteils das faserverstärkte Kunststoffteil durchdringen. Demnach sind die Pins höher als das faserverstärkte Kunststoffbauteil dick, wodurch die Pins beim Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils und des Metallteils durch den gesamten Querschnitt des faserverstärkten Kunststoffteils durchgeführt werden und auf einer entgegengesetzt zu dem Metallteil gelegenen Seite des faserverstärkten Kunststoffteils aus diesem herausragen. Dadurch wird der gesamte Querschnitt des faserverstärkten Kunststoffteils vorteilhaft zur Kraftübertragung ausgenutzt.
Optional kann vorgesehen sein, dass ein Verformen der Endabschnitte der Pins erfolgt, welcher nach dem Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils und des Metallteils über eine von dem Metallteil abgewandte Oberfläche des faserverstärkten Kunststoffteils vorsteht. Hierbei kann der Endabschnitt des Pins allgemein derart verformt werden, z.B. mittels eines Stempels, dass der seitlich über den Basisabschnitt des Pins vorsteht.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Nuten eine einen Hinterschnitt ausbildende Querschnittsform aufweisen, wie beispielsweise einen Ωförmigen oder einen trapezförmigen Querschnitt. Durch die hinterschnittene Form, welche nach dem Zusammenpressen von faserverstärktem Kunststoffteil und Metallteil mit thermoplastischem Matrixmaterial oder gegebenenfalls mit Material der Zwischenlage gefüllt ist, werden die Festigkeit und die Haltbarkeit der Verbindung zwischen Metallteil und faserverstärktem Kunststoffteil weiter verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Nuten einen U-förmigen, einen V-förmigen oder einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform die Nuten wechselnd gekrümmt verlaufen. Demnach verläuft eine Nut erstrecken sich die Nuten z.B. schlangenlinienförmig oder sinusförmig oder allgemein in einer Wellenform entlang der Verbindungsoberfläche. Dies bietet den Vorteil, dass selbst bei wechselnden Krafteinleitungsrichtungen die Kraftübertragung zwischen Metallteil und faserverstärktem Kunststoffteil weiter verbessert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Nuten parallel zueinander verlaufen. Damit kann die Anzahl der Nuten auf der Verbindungsoberfläche und damit eine Nutgesamtlänge, die sich aus der Summer der Längen der einzelnen Nuten ergibt, vorteilhaft vergrößert werden. Damit wird die Kraftübertragung zwischen Metallteil und faserverstärktem Kunststoffteil weiter verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Nuten eine Nuttiefe in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 5 mm aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Zwischenlage ein Thermoplastmaterial aufweist, welches identisch zu dem Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils ist, und wobei das Thermoplastmaterial der Zwischenlage zusammen mit dem Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils erwärmt wird. Die Zwischenlage stellt somit zusätzliches Thermoplastmaterial zum Füllen der Nuten zur Verfügung und kann beispielsweise in Form einer Matte ausgebildet sein. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils und dem Thermoplastmaterial der Zwischenlage wird infolge des gemeinsamen Aufschmelzens und Konsolidierens erzielt.
Die Zwischenlage kann insbesondere Glasfasern aufweisen, welche in das Thermoplastmaterial der Zwischenlage eingebettet sind. Insbesondere kann zumindest eine Lage an Glasfasern in der Zwischenlage vorgesehen sein. Dies bietet den Vorteil, dass Glasfasern aufgrund deren elektrisch isolierender Eigenschaften, einer Korrosion aufgrund eines möglichen elektrochemischen Potenzialunterschieds zwischen dem Material des Metallteils und den Verstärkungsfasern des Kunststoffteils entgegenwirkt.
Alternativ ist auch denkbar, dass die Zwischenlage einen Klebstoff enthält oder aus einem Klebstoff besteht.
3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfassen alle generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren, bei welchen auf der Basis von geometrischen Modellen Objekte vordefinierter Form aus formlosen Materialien wie Flüssigkeiten und Pulvern oder formneutralen Halbzeugen wie etwa band- oder drahtförmigem Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse in einem speziellen generativen Fertigungssystem hergestellt werden. 3D-Druckverfahren im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwenden dabei additive Prozesse, bei denen das Ausgangsmaterial schichtweise in vorgegebenen Formen sequentiell aufgebaut wird.
In Bezug auf Richtungsangaben und Achsen, insbesondere auf Richtungsangaben und Achsen, die den Verlauf von physischen Strukturen betreffen, wird hierin unter einem Verlauf einer Achse, einer Richtung oder einer Struktur „entlang“ einer anderen Achse, Richtung oder Struktur verstanden, dass diese, insbesondere die sich in einer jeweiligen Stelle der Strukturen ergebenden Tangenten jeweils in einem Winkel von kleiner 45 Grad, bevorzugt kleiner 30 Grad und insbesondere bevorzugt parallel zueinander verlaufen.
In Bezug auf Richtungsangaben und Achsen, insbesondere auf Richtungsangaben und Achsen, die den Verlauf von physischen Strukturen betreffen, wird hierin unter einem Verlauf einer Achse, einer Richtung oder einer Struktur „quer“ zu einer anderen Achse, Richtung oder Struktur verstanden, dass diese, insbesondere die sich in einer jeweiligen Stelle der Strukturen ergebenden Tangenten jeweils in einem Winkel von größer oder gleich 45 Grad, bevorzugt größer oder gleich 60 Grad und insbesondere bevorzugt senkrecht zueinander verlaufen.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:

1A eine schematische Schnittansicht eines Hybridbauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Verbindungsoberfläche eines Metallteils Pins aufweist;
1B eine schematische Schnittansicht eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Verbindungsoberfläche eines Metallteils Nuten aufweist;
1C eine abgebrochene Detail-Schnittansicht eines faserverstärkten Kunststoffteils des Hybridbauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Draufsicht auf ein Luftfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine schematische Explosionsdarstellung eines Hybridbauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine Draufsicht auf das eines Hybridbauteil aus 3;
5 eine schematische Ansicht einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Verbindungsoberfläche Nuten aufweist;
6 eine schematische Ansicht einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Verbindungsoberfläche vorstehende Pins aufweist;
7 eine Detailansicht einer Nut des in 5 dargestellten Metallteils;
8 eine Detailansicht von Pins des in 6 dargestellten Metallteils;
9 eine schematische Ansicht einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Verbindungsoberfläche vorstehende Pins aufweist;
10 eine schematische Ansicht einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Verbindungsoberfläche vorstehende Pins aufweist;
11 eine schematische Schnittansicht von Pins einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 eine schematische Schnittansicht von Pins einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
13 eine schematische Schnittansicht von Pins einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
14 eine schematische Schnittansicht einer Nut einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
15 eine schematische Schnittansicht einer Nut einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
16 eine schematische Schnittansicht von Nuten einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Nuten eine hinterschnittene Querschnittsform aufweisen;
17 eine schematische Schnittansicht eines Pins einer Verbindungsoberfläche eines Metallteils zur Herstellung eines Hybridbauteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
18 einen Verfahrensschritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
19 einen Verfahrensschritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
20 eine Detailansicht eines Endabschnitts des Pins nach einer Verformung gemäß dem in 19 gezeigten Verfahrensschritt.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Die 1A und 1B zeigen jeweils beispielhaft und rein schematisch ein Hybridbauteil 1. Wie in den 1A und 1B erkennbar ist, weist das Hybridbauteil 1 ein Metallteil 2 und ein faserverstärktes Kunststoffteil 3. Optional kann zusätzlich eine Zwischenlage (nicht dargestellt in den 1A und 1B), insbesondere in Form einer Klebstoffschicht vorgesehen sein.
Das Metallteil 2 kann plattenförmig gestaltet sein, wie dies in den 1A und 1B rein beispielhaft dargestellt ist, oder einen plattenförmigen Abschnitt aufweisen. Selbstverständlich sind auch andere geometrische Gestaltungen des Metallteils 2 denkbar, z.B. in Form eines Profilträgers oder eines mehrere Wandungen aufweisenden Verbindungselements wie in den 3, 4, 9 und 10 beispielhaft gezeigt ist und nachfolgend noch im Detail erläutert wird. Allgemein weist das Metallteil 2 eine Verbindungsoberfläche 2a auf, welche insbesondere als ebene Fläche, wie in den 1A und 1B beispielhaft gezeigt, oder als dreidimensional zu beschreibende Oberfläche realisiert sein kann. In einem Verfahren zur Herstellung des Hybridbauteils 1 wird das Metallteil 2 wird in einem 3D-Druckverfahren schichtweise aufgebaut, wobei ausgehend von einem digitalisierten geometrischen Modell des Metallteils 1 ein oder mehrere Ausgangsmaterialien sequentiell in Lagen übereinandergeschichtet und ausgehärtet werden. Rein beispielhaft sei als mögliches 3D-Druckverfahren zur Herstellung des Metallteils 2 Selektives-Laser-Schmelzen (kurz SLM bezeichnet). Selbstverständlich können als 3D-Druckverfahren zur Herstellung des Metallteils 2 auch Verfahren wie z.B. Selektives-Laser-Sintern (SLS) oder Elektronenstrahlschmelzen verwendet werden. Die Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 kann insbesondere mit einer Vielzahl von vorspringenden Pins 20 ausgebildet werden, wie dies in 1A beispielhaft und in schematischer Weise dargestellt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 mit einer Vielzahl von Nuten 25 ausgebildet werden, wie dies in 1B beispielhaft dargestellt ist. Die Dimensionierung der Pins 20 bzw. der Nuten 25 und die Anordnung der Pins 20 bzw. der Nuten 25 zueinander wird nachfolgend noch im Detail erläutert. Das Metallteil 2 kann beispielsweise aus einem Titanmaterial, insbesondere einer Titanlegierung, einem Aluminiummaterial, insbesondere einer Aluminiumlegierung, oder einem anderen Metallmaterial gebildet sein.
Das faserverstärkte Kunststoffteil 3 kann ein sich flächig erstreckendes, beispielsweise platten- oder schalenförmiges Bauteil sein, wie dies in den 1A und 1B beispielhaft dargestellt ist. Selbstverständlich sind auch andere Bauteilformen des faserverstärkten Kunststoffteils 3 denkbar. Beispielsweise kann das faserverstärkte Kunststoffteil 3 als Profilträger, z.B. mit einem T-förmigen, einem H-förmigen, einem Ω-förmigen oder einem anderen Querschnitt realisiert sein. Allgemein weist das faserverstärkte Kunststoffteil 3 eine Verbindungsfläche 3a auf, welche zur Verbindung mit der Verbindungsfläche 2a des Metallteils 2 vorgesehen ist. Optional können die Oberflächenkonturen der Verbindungsfläche 3a des faserverstärkten Kunststoffteils 3 und des Metallteils 2 korrespondierend zueinander ausgebildet sein.
Das faserverstärkte Kunststoffteil 3 ist aus einem faserverstärkten Thermoplastmaterial gebildet. In 1C ist rein schematisch eine vergrößerte Teilschnittansicht des faserverstärkten Kunststoffteils 3 dargestellt. Wie in 1C erkennbar ist, weist das faserverstärkte Kunststoffteil 3 eine Vielzahl von Verstärkungsfasern V auf, z.B. Kohlefasern, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial M eingebettet sind. Das faserverstärkte Kunststoffteil 3 kann somit auch als thermoplastisches Faserverbundbauteil bezeichnet werden.
Das Metallteil 2 und das faserverstärkte Kunststoffteil 3 sind an deren Verbindungsoberflächen 2a, 3a miteinander verbunden bzw. aneinander befestigt. In 1A ist schematisch dargestellt, dass die Pins 20 der Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 in das thermoplastische Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 hineinragen. Wie nachfolgend noch im Detail erläutert wird, kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Pins 20 bis in einen Querschnittsbereich des faserverstärkten Kunststoffteils 3 hineinragen, in welchem Verstärkungsfasern V vorhanden sind, so dass die Pins 20 vorzugsweise in Kontakt mit den Verstärkungsfasern V stehen. In 1B ist schematisch dargestellt, dass die Nuten 25 der Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 mit thermoplastischem Matrixmaterial M gefüllt sind.
Zur Herstellung des Hybridbauteil 1 wird zunächst das Metallbauteil 2 in einem 3D-Druckverfahren schichtweise aufgebaut, wie dies bereits erläutert wurde. Anschließend wird das faserverstärkte Kunststoffteil 3 an der Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 angeordnet, wobei die Verbindungsoberfläche 3a des faserverstärkten Kunststoffteils 3 der Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 zugewandt bzw. gegenüberliegend zu dieser positioniert wird. Wenn die Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 mit Nuten 25 ausgebildet wurde, kann optional zusätzlich eine Zwischenlage 4 zwischen der Verbindungsoberfläche 3a des faserverstärkten Kunststoffteils 3 der Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 angeordnet werden, wie dies in 3 rein beispielhaft gezeigt ist. Allgemein wird ein Schichtverbund bzw. eine Schichtanordnung aus dem Metallteil 2 und dem faserverstärkten Kunststoffteil 3 mit oder ohne einer Zwischenlage 4 gebildet. Die optionale Zwischenlage 4 ein kann insbesondere Thermoplastmaterial aufweisen, welches identisch zu dem Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 ist. Weiter optional kann die Zwischenlage 4 Glasfasern (nicht dargestellt) aufweisen, welche in das Thermoplastmaterial der Zwischenlage 4 eingebettet sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Zwischenlage 4 einen Klebstoff aufweisen oder aus Klebstoff bestehen.
In einem weiteren Verfahrensschritt, der vor oder nach dem Anordnen des faserverstärkten Kunststoffteils 3 durchgeführt werden kann, erfolgt ein Erwärmen des Matrixmaterials M auf eine Temperatur, bei welcher das Matrixmaterial M fließfähig ist. In dem Fall, dass keine Zwischenlage 4 vorgesehen ist, wird das thermoplastische Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 zumindest im Bereich der Verbindungsfläche 3a erwärmt, und zwar abhängig von der Glasübergangstemperatur bzw. der Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials M, so dass dieses in einen fließfähigen, viskosen Zustand übergeht. Dieses Erwärmen kann zusammen mit dem Metallteil 2 erfolgen, z.B. in einem Ofen oder mittels einer Infrarotheizeinrichtung die zwischen dem Metallteil 2 und dem faserverstärkten Kunststoffteil 3 angeordnet wird. Selbstverständlich kann auch nur das Metallteil 2 oder nur das faserverstärkte Kunststoffteil 3 erwärmt werden. In dem zuerst genannten Fall, wird das faserverstärkte Kunststoffteil 3 mit dem Metallteil 2 kontaktiert und dadurch mittels des Metallteils 2 erwärmt. Wenn eine optionale Zwischenlage 4 vorgesehen ist, welche das selbe Thermoplastmaterial aufweist wie das faserverstärkte Kunststoffteil 3, werden sowohl das Thermoplastmaterial der Zwischenlage 4 als auch das Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 erwärmt und in einen fließfähigen Zustand gebracht, wodurch sich die Zwischenlage 4 und das faserverstärkte Kunststoffteil 3 stoffschlüssig verbinden.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils 3 und des Metallteils 2, wie dies in 18 beispielhaft und schematisch für den Fall dargestellt ist, dass das die Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 mit Pins 20 ausgebildet ist. Beim Zusammenpressen werden das Metallteil 2 und das faserverstärkte Kunststoffteil 3 jeweils mit einer in Richtung des jeweils anderen Teils 3, 2 gerichteten Kraft F beaufschlagt, wie dies in 18 rein symbolisch durch Pfeile dargestellt ist. Durch das Zusammenpressen werden die Pins 20 des Metallteils 2 in das fließfähige Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 bzw. in den Querschnitt des faserverstärkten Kunststoffteils 3 hineingedrückt, optional soweit, dass die die Pins 20 in einen Querschnittsbereich des faserverstärkten Kunststoffteils 3 eindringen, in welchem Verstärkungsfasern V vorhanden sind.
In 18 ist beispielhaft dargestellt, dass der Pin 20 mit einer Höhe h20 von der Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 vorspringt, die kleiner ist als eine Dicke t3 des Kunststoffteils 3 ist. Damit endet der Pin 20 im Inneren des Querschnitts des Kunststoffteils 2. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Pins 20 beim Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils 3 und des Metallteils 2 in einen Querschnittsbereich des Kunststoffteils eindringen, in welchem Verstärkungsfasern vorhanden sind, wie dies bereits erwähnt wurde. Demnach werden die Pins 20 zumindest soweit in das faserverstärkte Kunststoffteil 3 hineingedrückt, bis diese mit den Verstärkungsfasern V in Berührung kommen bzw. von diesem umschlossen werden. In 19 ist beispielhaft dargestellt, dass der Pin 20 mit einer Höhe h20 von der Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 vorspringt, die größer ist als die Dicke t3 des faserverstärkten Kunststoffteils 3 ist. Beim Zusammenpressen des Kunststoffteils 3 und des Metallteils 2 wird der Pin 20 somit durch den gesamten Querschnitt des faserverstärkten Kunststoffteils 3 hindurchgedrückt und durchdringt oder durchsticht das faserverstärkte Kunststoffteil 3 damit vollständig. Wie in 19 schematisch dargestellt ist, steht ein entgegengesetzt zu der Verbindungsfläche 2a des Metallteils 2 gelegener Endabschnitt 21 des Pins 20 über eine von dem Metallteil 2 abgewandte bzw. entgegengesetzt zu der Verbindungsfläche 3a gelegene Oberfläche 3b des faserverstärkten Kunststoffteils 3 vor. Optional kann der überstehende Endabschnitt 22 des Pins 20 verformt werden, z.B. mittels eines Stempels 10, welcher entlang einer Längsachse des Pins 20 auf diesen gedrückt wird. Insbesondere kann der Endabschnitt 22 des Pins 20 zu einem Kopf verformt werden, der einen größeren Durchmesser aufweist, als ein in dem faserverstärkten Kunststoffteil 3 gelegener Schaft- oder Basisabschnitt 21 des Pins 20, wie dies in 20 schematisch dargestellt ist. Allgemein kann der Endabschnitt 22 des Pins 20 derart verformt werden, dass der Endabschnitt 22 aufweisen, welcher seitlich über den Basisabschnitt 21 vorsteht.
Wenn die Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 mit Nuten 25 ausgebildet ist, erfolgt das Zusammenpressen in derselben Weise wie oben beschrieben. Jedoch dringt durch das Zusammenpressen das fließfähige Thermoplastmaterial bzw. Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 oder gegebenenfalls das Thermoplastmaterial der Zwischenlage 4 in die Nuten 25 ein und füllt diese aus.
Nach dem Zusammenpressen erfolgt ein Konsolidieren des Thermoplastmaterials unter Aufbringung eines Konsolidierungsdrucks. Hierbei wird das thermoplastische Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 und gegebenenfalls das Thermoplastmaterial der Zwischenlage 4, welches mit dem des faserverstärkten Kunststoffteils 3 verschmolzen ist, auf eine Temperatur abgekühlt, bei welcher das Thermoplastmaterial wieder in einen festen, nicht-viskosen Zustand übergeht. Diese Temperatur kann insbesondere unter der Schmelz- bzw. Glasübergangstemperatur liegen. Während des Abkühlens bzw. Konsolidierens werden das Metallteil 2 und das faserverstärkte Kunststoffteil 3 mit einer vorbestimmten Kraft beaufschlagt.
Auf diese Weise kann ein Hybridbauteil 1 hergestellt werden, wie es anhand der 1A bis 1C in allgemeiner Form beschrieben wurde. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein Luftfahrzeug 100, insbesondere ein Flugzeug. Das Luftfahrzeug 100 weist Flügel 101, einen Rumpf 102, ein Höhenleitwerk 103 und ein Seitenleitwerk 104 auf. Das Hybridbauteil 1 kann in vielfältiger Weise als Strukturbauteil des Luftfahrzeugs 100 eingesetzt werden. In 2 ist beispielhaft eine Verwendung des Hybridbauteils 1 als Bremsklappe 111 dargestellt, welche im Bereich einer Hinterkante des Flügels 101 angeordnet ist.
3 zeigt beispielhaft eine Explosionsdarstellung eines Hybridbauteils 1, welches als Bremsklappe 111 verwendet werden kann, wobei in 3 zusätzlich die optionale Zwischenlage 4 dargestellt ist, die bei der Herstellung des Hybridbauteils 1 verwendet wird. In 4 ist das Hybridbauteil 1 aus 3 in einer Draufsicht dargestellt. Wie in den 3 und 4 beispielhaft dargestellt ist, kann das Metallteil 2 als ein Anschlusselement realisiert sein, welches zur dreh- oder schwenkbaren Lagerung des Hybridbauteils 1 dient. Das in den 3 und 4 beispielhaft dargestellte Metallteil 2 weist einen plattenförmigen Basisabschnitt 27 auf, an welchem die Verbindungsfläche 2a ausgebildet ist. Das Metallteil 2 weist außerdem einen Tragabschnitt 28 auf, welcher sich von einer entgegengesetzt zu der Verbindungsfläche 2a gelegenen Rückseitenoberfläche 27b aus quer zu dem Basisabschnitt 27 in Form eines rechteckigen Blocks erstreckt. An einer Frontfläche 28a des Tragabschnitts 28 sind zwei zueinander beabstandete Laschen 28A, 28B vorgesehen, welche jeweils eine eine Drehachse definierende Ausnehmung 28C aufweisen. Ferner umfasst das Metallteil 2 mehrere, z.B. wie in 4 gezeigt drei Verstärkungsrippen 29, welche sich von der Rückseitenoberfläche 27b des Basisabschnitt 27 aus quer zu diesem erstrecken und mit dem Tragabschnitt 28 verbunden sind. Wie in 4 beispielhaft gezeigt ist, können die Rippen 29 sich fächerförmig von dem Tragabschnitt 28 aus erstrecken.
Das faserverstärkte Kunststoffteil 3 ist in den 3 und 4 plattenförmig gestaltet und kann beispielsweise einen im Wesentlichen konstante Dicke t3 aufweisen. Die Oberfläche 3b, die entgegengesetzt zu der Verbindungsoberfläche 3a des faserverstärkten Kunststoffteils 3 gelegen ist, ist dazu vorgesehen, eine Strömungsoberfläche des Flügels 101 des Luftfahrzeugs 100 auszubilden.
Nachfolgend werden mögliche Gestaltungen der Nuten 25 eines Metallbauteils 2 zur Herstellung eines Hybridbauteils 1 erläutert. Das Metallbauteil 2 kann beispielsweise wie in den 3 und 4 oder in anderer Weise gestaltet sein. Allgemein ist das Metallbauteil 2 durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt und weist eine Verbindungsoberfläche 2a mit einer Vielzahl an Nuten 25 auf.
In 5 ist beispielhaft eine perspektivische Ansicht der Verbindungsfläche 2a des Metallteils 2 dargestellt. Wie in 5 erkennbar ist, können die Nuten 25 wechselnd gekrümmt verlaufen. Somit können die Nuten 25 wechselnd gekrümmte Längsabschnitte aufweisen, die durchgehend miteinander verbunden sind. Bildlich gesprochen ergibt sich so ein wellenförmiger Längsverlauf der Nuten 25, wie dies in 5 rein beispielhaft gezeigt ist. In 5 verlaufen die Nuten 25 außerdem parallel zueinander. Die Nuten 25 können auch einen geraden, linearen Verlauf aufweisen. Unabhängig von dem Längsverlauf der Nuten 25 können diese parallel zueinander verlaufen.
In 7 ist beispielhaft eine vergrößerte Detailansicht einer der in 5 dargestellten Nuten 25 gezeigt. Wie in 7 erkennbar ist, können die Nuten 25 beispielsweise einen Ω-förmigen Querschnitt aufweisen. Ein solcher Ω-förmiger Querschnitt einer Nut 25 ist zudem in 16 dargestellt und kann unabhängig vom Längsverlauf der jeweiligen Nut 25 vorgesehen sein. In 16 ist zudem rein beispielhaft ein trapezförmiger oder „schwalbenschwanzförmiger“ Querschnitt der Nut 25 dargestellt. Sowohl bei einem trapezförmigen als auch bei einem Ωförmigen Querschnitt verengt sich die Nut 25 von ihrem Nutgrund 26 zu der Verbindungsoberfläche 2a hin und bildet damit einen Hinterschnitt aus. Selbstverständlich sind neben einem trapezförmigen als und einem Ω-förmigen Querschnitt auch andere Formen denkbar, die eine einen Hinterschnitt ausbildende Querschnittsform aufweisen.
Alternativ können die Nuten 25 auch einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, wie dies in 14 beispielhaft dargestellt ist, oder einen V-förmigen Querschnitt, wie dies schematisch in 15 beispielhaft dargestellt ist. Ferner sind auch Nuten 25 mit U-förmigem Querschnitt denkbar.
Eine sich zwischen dem Nutgrund 26 und der Verbindungsfläche 2a ergebende Nuttiefe d25 kann unabhängig von der Querschnittsform der Nuten 25 beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 5 mm liegen.
Nachfolgend werden mögliche Gestaltungen der Pins 20 eines Metallbauteils 2 zur Herstellung eines Hybridbauteils 1 erläutert. Das Metallbauteil 2 kann beispielsweise wie in den 3 und 4 oder in anderer Weise gestaltet sein. Allgemein ist das Metallbauteil 2 durch ein 3D-Druckverfahren hergestellt und weist eine Verbindungsoberfläche 2a mit einer Vielzahl von vorspringenden Pins 20 auf.
In 6 ist beispielhaft eine perspektivische Ansicht der Verbindungsfläche 2a des Metallteils 2 dargestellt. Wie in 6 beispielhaft dargestellt ist, können die Pins 25 in jeweils in Form paralleler Reihen nacheinander mit regelmäßigen Abständen zueinander a20. In den 9 und 10 ist beispielhaft jeweils eine Draufsicht auf die Verbindungsfläche 2a des in den 3 und 4 gezeigten Metallteils 2 dargestellt. Die Ausführungen gelten jedoch allgemein für ein Metallbauteil 2 mit einer Verbindungsfläche 2a unabhängig von dessen übriger geometrischer Gestaltung. Wie in 9 beispielhaft dargestellt ist, können die Pins 20 jeweils auch in Reihen angeordnet sein, die sich in Form von Fibonacci-Spiralen erstrecken. Hierbei ist ein erster Pin 20 einer Reihe in Bezug auf ein Zylinderkoordinatensystem r, φ bei r₁=0, (φ₁=0 angeordnet. Ein zweiter Pin 20 ist bei r₂=r₁+dr und φ₂= φ₁+2π·0,5·(5^0,5-1) angeordnet. Allgemein ist ein n-ter Pin 20 in Bezug auf den vorherigen n-1 Pin 20 einer Reihe somit bei r_n=r_n-1+dr und φ_n= φ_n-1+2π·0,5·(5^0,5-1) angeordnet, dr kann insbesondere ein konstanter Abstand a20 zwischen zwei Pins 20 einer Reihe sein. In 9 ist jedoch auch der Abstand zwischen zwei Reihen mit a20 bezeichnet. In 10 sind die Pins 20 innerhalb einer Reihe mit jeweils konstantem Abstand a20 zueinander angeordnet, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Reihen entlang der Reihen zunimmt. Die Reihen sind somit fächer- oder strahlenförmig angeordnet. Ganz allgemein kann ein Abstand a20 zwischen zwei benachbart gelegenen Pins 20 zumindest dem 1,3-fachen eines maximalen Durchmessers des Pins 20 entsprechen, wobei der Abstand a20 jeweils zwischen den Mittelachsen zweier Pins 20 gemessen wird. Ferner kann ein Pin 20 zu jedem weiteren benachbart zu diesem angeordneten Pin 20 einen Abstand a20 aufweisen, welcher maximal dem 15-fachen eines minimalen Durchmessers d20 des Pins 20 entspricht.
8 zeigt beispielhaft eine vergrößerte Detailansicht einer der in 6 dargestellten Pins 20. Wie in 8 erkennbar ist, können die Pins 20 beispielsweise kreiszylinderförmig gestaltet sein. In den 11 bis 13 sind weitere mögliche Gestaltungen der Pins 20 dargestellt. Allgemein weist ein Pin 20 einen sich von der Verbindungsoberfläche 2a aus erstreckenden Schaft- oder Basisabschnitt 21 und einen entgegengesetzt zu der Verbindungsoberfläche 2a gelegenen Endabschnitt 22 auf. Wie dies beispielhaft in 8 und bei dem in 11 ganz links dargestellten Pin 20 gezeigt ist, kann der Pin 20 zylindrisch mit konstantem Durchmesser realisiert sein, wobei der Endabschnitt 22 eine ebene Stirnfläche des Pins 20 bildet. In 11 mittig und ganz rechts sind jeweils Pins 20 mit einem sich verjüngenden Endabschnitt 22 dargestellt. Der in 11 mittig dargestellte Pin 20 weist z.B. einen spitz zulaufenden Endabschnitt 22 auf. Der in 11 ganz rechts dargestellte Pin 20 weist z.B. einen kuppelförmigen Endabschnitt 22 auf. Diese sich verjüngende Gestaltung erleichtert das Eindringen in das thermoplastische Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 beim Zusammenpressen von faserverstärktem Kunststoffteil 3 und Metallteil 2.
In den 12 und 13 sind jeweils Pins 20 dargestellt, bei denen der Endabschnitt 22 seitlich über den Basisabschnitt 21 vorsteht. Der Endabschnitt 22 bildet in diesen Fällen allgemein einen Kopf, welcher einen größeren Durchmesser aufweist als der Basisabschnitt 21. Damit wird eine Art Formschluss zumindest zwischen dem Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 und dem jeweiligen Pin 20 erzielt. Wenn die Pins 20 bis in einen Querschnittsbereich des faserverstärkten Kunststoffteils 3 eindringen bzw. hineinragen, in welchem Verstärkungsfasern V vorhanden sind, bildet der seitlich über den Basisabschnitt 21 vorstehende Endabschnitt 22 bzw. Kopf eine Art Widerhaken aus, der mit den Verstärkungsfasern V des Kunststoffteils 3 wechselwirkt, so dass vorteilhaft ein Formschluss mit den Verstärkungsfasern V ausgebildet wird. Die in 12 gezeigten abgerundeten bzw. sich verjüngende Gestaltungen erleichtern das Eindringen des jeweiligen Pins 20 in das thermoplastische Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 beim Zusammenpressen von faserverstärktem Kunststoffteil 3 und Metallteil 2.
Bei den in 12 rein beispielhaft dargestellten Pins 20 ist der den Endabschnitt 22 bildende Kopf symmetrisch in Bezug auf eine Längsachse des Pins 20 ausgebildet. Der in 12 ganz links dargestellte Pin 20 weist einen Endabschnitt 22 mit einem rechteckförmigen Querschnitt auf, wobei die kurzen Seiten des Rechtecks kreisbogenförmig gestaltet sind. Der in 12 als zweiter von links dargestellte Pin 20 weist einen Endabschnitt 22 mit dreieckförmigem Querschnitt auf. Der in 12 als dritter von links dargestellte Pin 20 weist einen Endabschnitt 22 auf, der eine im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnittsform aufweist. Der in 12 ganz rechts dargestellte Pin 20 weist einen Endabschnitt 22 auf, welcher einen sich an den Basisabschnitt 21 anschließenden und sich entlang der Längsachse aufweitenden Bereich und einen sich daran anschließenden spitz zulaufenden Bereich aufweist. Damit weist der Pin 20 ganz rechts in 12 einen im wesentlichen fünfeckigen Querschnitt auf. Der Schaft bzw. der Basisabschnitt 21 kann beispielsweise zylinderförmig sein oder, wie dies in 12 für den Pin 20 ganz rechts beispielhaft dargestellt ist, kegelförmig mit einem sich zu dem Endabschnitt 22 hin verjüngenden Durchmesser gestaltet sein.
Bei den in 13 rein beispielhaft dargestellten Pins 20 ist der den Endabschnitt 22 bildende Kopf asymmetrisch in Bezug auf eine Längsachse des Pins 20 ausgebildet. Bildlich gesprochen ist der Endabschnitt jeweils spitz zulaufend und hakenförmig ausgebildet. Unterer Bereich des Pins 20 steht an einer Seite über den Basisabschnitt 21 vor. Die in 13 mittig und ganz rechts dargestellten Pins 20 weisen ferner einen Basisabschnitt 21 auf, welcher einen konkav gekrümmten Umfangsabschnitt aufweist. Der Basisabschnitt 21 kann, unabhängig von der Form des Endabschnitts 22, allgemein einen konkav gekrümmten Umfangsabschnitt, z.B. in Form einer Vertiefung aufweisen. Dies stellt eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Verbesserung eines Formschlusses zwischen dem Thermoplastmaterial bzw. Matrixmaterial M des faserverstärkten Kunststoffteils 3 und dem jeweiligen Pin 20 dar.
Unabhängig von der geometrischen Gestaltung der Pins 20 können diese mit einem Freistich 23 versehen sein, wie dies in 17 beispielhaft dargestellt ist. Hierbei ist um den Pin 20 herum bzw. um den Umfang des Basisabschnitts 21 des Pins 20 herum die Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 mit einer Vertiefung versehen. Beim Zusammenpressen von faserverstärkte Kunststoffteil 3 und Metallteil 2 kann das Matrixmaterial M in diese Vertiefung eindringen, wodurch ein Anlegen der Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 an die Verbindungsoberfläche 3a des faserverstärkten Kunststoffteils 3 erleichtert wird. Dies beugt vorteilhaft einer Delamination von faserverstärktem Kunststoffteil 3 und Metallteil 2 vor.
Ein minimaler Durchmesser der Pins 20, z.B. im Bereich des Basisabschnitts 21, kann beispielsweise im Bereich von 0,5 mm liegen. Ein maximaler Durchmesser der Pins 20, z.B. im Bereich des Endabschnitts 22, kann beispielsweise im Bereich von 1,5 mm liegen. Dies gilt unabhängig von der geometrischen Gestaltung der Pins 20. Ebenfalls unabhängig von deren geometrischer Gestaltung können die Pins 20 beispielsweise mit einer Höhe h20, die in einem Bereich zwischen 1 mm und 10 mm liegt, von der Verbindungsoberfläche 2a des Metallteils 2 vorspringen.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
Bezugszeichenliste

1: Hybridbauteil
2: Metallteil
2a: Verbindungsoberfläche des Metallteils
3: faserverstärktes Kunststoffteil
3a: Verbindungsoberfläche des faserverstärkten Kunststoffteils
3b: Oberfläche des faserverstärkten Kunststoffteils
4: Zwischenlage
10: Stempel
20: Pin
21: Basisabschnitt des Pins
22: Endabschnitt des Pins
23: Freistich
25: Nut
26: Nutgrund
27: Basisabschnitt des Metallteils
27b: Rückseitenoberfläche des Basisabschnitts des Metallteils
28: Tragabschnitt des Metallteils
28A, 28B: Laschen
28a: Frontfläche des Tragabschnitts
28C: Ausnehmung
29: Verstärkungsrippen
100: Luftfahrzeug
101: Flügel
102: Rumpf
103: Höhenleitwerk
104: Seitenleitwerk
111: Bremsklappe
h20: Höhe des Pins
a20: Abstand der Pins zueinander
d20: Durchmesser des Pins
d25: Nuttiefe
F: Kraft
M: Matrixmaterial
t3: Dicke des faserverstärkten Kunststoffteils
V: Verstärkungsfasern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0136668 A1 [0003]
DE 10149633 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (1), aufweisend: schichtweises Aufbauen eines Metallteils (2) mittels eines 3D-Druckverfahrens, wobei eine Verbindungsoberfläche (2a) des Metallteils (2) mit einer Vielzahl von vorspringenden Pins (20) ausgebildet wird; Anordnen eines faserverstärkten Kunststoffteils (3), welches eine Vielzahl von Verstärkungsfasern (V) aufweist, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial (M) eingebettet sind, an der Verbindungsoberfläche (2a) des Metallteils (2); Erwärmen des Matrixmaterials (M) auf eine Temperatur, bei welcher das Matrixmaterial (M) fließfähig ist; Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils (3) und des Metallteils (2), so dass die Pins (20) des Metallteils (2) in das fließfähige Matrixmaterial (M) des Kunststoffteils (3) eindringen; und Konsolidieren des Matrixmaterials (M) unter Aufbringung eines Konsolidierungsdrucks.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pins (20) einen von der Verbindungsoberfläche (2a) des Metallteils (2) vorspringenden Basisabschnitt (21) und einen von der Verbindungsoberfläche (2a) abgewandt gelegenen Endabschnitt (22) aufweisen, welcher seitlich über den Basisabschnitt (21) vorsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pins (20) mit einer Höhe (h20) in einem Bereich zwischen 1 mm und 10 mm von der Verbindungsoberfläche (2a) des Metallteils (2) vorspringen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Pins (20) beim Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils (3) und des Metallteils (2) in einen Querschnittsbereich des faserverstärkten Kunststoffteils (3) eindringen, in welchem Verstärkungsfasern (V) vorhanden sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Pins (20) mit einer Höhe (h20) von der Verbindungsoberfläche (2a) des Metallteils (2) vorspringen, die größer ist als eine Dicke (t3) des faserverstärkten Kunststoffteils (3), so dass die Pins (20) beim Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils (3) und des Metallteils (2) das faserverstärkte Kunststoffteil (3) durchdringen.
Verfahren nach Anspruch 5, zusätzlich aufweisend: Verformen von Endabschnitten der Pins (20), welche nach dem Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils (3) und des Metallteils (2) über eine von dem Metallteil (2) abgewandte Oberfläche (3b) des faserverstärkten Kunststoffteils (3) vorstehen.
Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils (1), aufweisend: schichtweises Aufbauen eines Metallteils (2) mittels eines 3D-Druckverfahrens, wobei eine Verbindungsoberfläche (2a) des Metallteils (2) mit einer Vielzahl von Nuten (25) ausgebildet wird; Ausbilden einer Schichtanordnung aus dem Metallteil (2) und einem faserverstärkten Kunststoffteil (3), welches eine Vielzahl von Verstärkungsfasern (V) aufweist, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial (M) eingebettet sind, wobei das faserverstärkte Kunststoffteil (3) mit oder ohne eine zusätzlich zwischen dem faserverstärkten Kunststoffteil (3) und der Verbindungsoberfläche (2a) positionierten Zwischenlage (4) an der Verbindungsoberfläche (2a) des Metallteils (2) angeordnet wird; Erwärmen des Matrixmaterials oder des Matrixmaterials und des Materials der Zwischenlage (4) auf eine Temperatur, bei welcher das Matrixmaterial (M) oder das Matrixmaterial (M) und des Material der Zwischenlage (4) fließfähig ist; Zusammenpressen des faserverstärkten Kunststoffteils (3) und des Metallteils (2), so dass das Matrixmaterial (M) in die Nuten (25) des Metallteils (2) eindringt oder das Material der Zwischenlage (4) in die Nuten (25) des Metallteils (2) eindringt und stoffschlüssig mit dem Matrixmaterial (M) verbunden wird; und Konsolidieren des Matrixmaterials (M) unter Aufbringung eines Konsolidierungsdrucks.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Nuten (25) eine einen Hinterschnitt ausbildende Querschnittsform aufweisen, insbesondere einen Ω-förmigen oder einen trapezförmigen Querschnitt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Nuten (25) einen U-förmigen, einen V-förmigen oder einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Nuten (25) wechselnd gekrümmt und vorzugsweise parallel zueinander und verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Nuten (25) eine Nuttiefe (d25) in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 5 mm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Zwischenlage (4) ein Thermoplastmaterial aufweist, welches identisch zu dem Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils (3) ist, und wobei das Thermoplastmaterial der Zwischenlage (4) zusammen mit dem Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffteils (3) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Zwischenlage (4) Glasfasern aufweist, welche in das Thermoplastmaterial der Zwischenlage (4) eingebettet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Zwischenlage (4) einen Klebstoff enthält.
Hybridbauteil (1), mit: einem durch ein 3D-Druckverfahren hergestellten Metallteil (2) mit einer Verbindungsoberfläche (2a), welche eine Vielzahl von Nuten (25) und/oder eine Vielzahl von vorspringenden Pins (20) aufweist; und einem mit der Verbindungsoberfläche (2a) verbundenen faserverstärkten Kunststoffteil (3), welches eine Vielzahl von Verstärkungsfasern (V) aufweist, die in ein thermoplastisches Matrixmaterial (M) eingebettet sind; wobei die Nuten (25) der Verbindungsoberfläche (2a) des Metallteils (2) mit dem Matrixmaterial (M) gefüllt sind und/oder die Pins (20) in das Matrixmaterial (M) hineinragen.
Luftfahrzeug (100) mit einem Hybridbauteil (1) nach Anspruch 15.