DE102020005695A1

DE102020005695A1 - Radarabsorbierendes Verbundbauteil

Info

Publication number: DE102020005695A1
Application number: DE102020005695.4A
Authority: DE
Inventors: Mathias Bleckmannn
Original assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2022-03-17

Abstract

Das neue Verbundbauteil (1) weist folgende Merkmale auf:a) das Verbundbauteil (1) umfasst mindestens eine erste Prepreg-Lage (10), eine zweite Prepreg-Lage (20) und eine dritte Prepreg-Lage (30), die stoffschlüssig miteinander verbunden sind,b) die mindestens erste Prepreg-Lage (10), zweite Prepreg-Lage (20) und dritte Prepreg-Lage (30) weisen jeweils auf einer ersten Oberfläche (11, 21, 31) eine aufgedruckte Radarabsorptionsschicht (12, 22, 32) auf,c) die Radarabsorptionsschichten (12, 22, 32) weisen jeweils einen unterschiedlichen Grad einer Radarabsorption auf, derart, dass der Grad der Radarabsorption von der mindestens ersten Prepreg-Lage (10) bis zur dritten Prepreg-Lage (30) zunimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein radarabsorbierendes Verbundbauteil.
Zum Schutz vor gegnerischen Angriffen stellt die Reduzierung einer Radarsignatur einen zentralen Baustein dar.
Die EP 2 421 701 B1 zeigt ein Verbundbauteil mit mehreren Prepreg-Lagen. Eine der Prepreg-Lagen weist an einer seiner Oberflächen eine aufgedruckte Radarabsorptionsschicht auf. Diese Art der Radarabsorption fällt allgemein unter den Begriff „Radarabsorbierende Materialien (RAM)“ und im Speziellen unter den Begriff „Circuit-Analog-RAM (CA-RAM)“.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbundbauteil mit einer verbesserten Radarabsorption zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung gelöst, das die Merkmale des nebengeordneten Anspruches 4 aufweist.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass das Verbundbauteil eine geringe Radarsignatur aufweist.
Dadurch, dass der Grad einer Radarabsorption der jeweils aufgedruckten Radarabsorptionsschichten von der mindestens ersten Prepreg-Lage bis zur dritten Prepreg-Lage zunimmt, ist die erste aufgedruckte Radarabsorptionsschicht für eine Radarstrahlung vereinfacht ausgedrückt nahezu transparent, während die folgenden, aufgedruckten Radarabsorptionsschichten mit jeder weiteren Prepreg-Lage immer stärker absorbierend oder immer intransparenter für die Radarstrahlung sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass kaum Radarstrahlung vom Verbundbauteil reflektiert wird, so dass eine Ortung verhindert wird. Die Radarstrahlung trifft als Erstes auf eine erste Radarabsorptionsschicht, in der sie zunächst nur zu einem kleinen Teil absorbiert wird. Dann wird die Radarstrahlung in den nachfolgenden Radarabsorptionsschichten zunehmend absorbiert. Wird Radarstrahlung innerhalb des Verbundbauteils zurückreflektiert, dann werden diese Reflexionsstrahlen in umgekehrter Richtung von den Radarabsorptionsschichten absorbiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils weisen die Radarabsorptionsschichten elektrisch leitende Partikel und/oder magnetische Partikel auf. Die elektrischen Partikel dienen zur Dämpfung des elektrischen Feldes der Radarwelle, die magnetischen Partikel zur Dämpfung des magnetischen Feldes.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbundbauteils nimmt eine flächenbezogene Masse an elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln der aufgedruckten Radarabsorptionsschichten von mindestens der ersten Prepreg-Lage zur dritten Prepreg-Lage zu. Durch eine Zunahme der flächenbezogenen Masse an elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln erhöht man den Grad der Radarabsorption, um Prepreg-Lagen mit einem gewünschten Grad einer Radarabsorption herzustellen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Radarabsorptionsschichten jeweils aufgedruckt unter Verwendung mindestens einer Suspension mit elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln. Eine flüssige Phase der Suspension, die nach dem Drucken verdampft wird, dient hierbei als Transportmittel für die elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Radarabsorptionsschichten derart mit der mindestens einen Suspension gedruckt, dass eine flächenbezogene Masse an elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln der jeweiligen Radarabsorptionsschichten von der mindestens ersten Prepreg-Lage bis zur dritten Prepreg-Lage zunimmt. Mit einer Zunahme der flächenbezogenen Masse an elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln der jeweiligen Radarabsorptionsschichten wird die Radarabsorption erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Konzentration an elektrisch leitenden Partikeln und/oder an magnetischen Partikeln in der mindestens einen Suspension in Abhängigkeit vom Grad der Radarabsorption einer jeweiligen Radarabsorptionsschicht eingestellt. Dies ermöglicht ein schnelles Ausdrucken einer Radarabsorptionsschicht, weil der Grad der Radarabsorption in einfacher Weise über die Partikel-Konzentration der Suspension eingestellt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Radarabsorptionsschichten jeweils aufgedruckt unter Verwendung einer mit einem ersten Druckkopf aufgetragenen Suspension mit elektrisch leitenden Partikeln und einer mit einem zweiten Druckkopf aufgetragenen Suspension mit magnetischen Partikeln. Ein erster und ein zweiter Druckknopf ermöglichen ein schnelles Drucken der jeweiligen Radarabsorptionsschichten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 einen Abschnitt eines Verbundbauteils 1, im Schnitt;
2 ein Prepreg-Set mit einzelnen Prepreg-Lagen mit jeweils einer aufgedruckten Radarabsorptionsschicht zur Herstellung des in 1 gezeigten Verbundbauteils, perspektivisch dargestellt;
3 eine Vorrichtung zum Drucken einer Radarabsorptionsschicht auf eine einzelne Prepreg-Lage, als Skizze.

Die 1 zeigt ein radarabsorbierendes Verbundbauteil 1 mit einer ersten Prepreg-Lage 10, einer zweiten Prepreg-Lage 20 und eine dritten Prepreg-Lage 30, die miteinander verbunden sind. Die erste Prepreg-Lage 10, zweite Prepreg-Lage 20 und dritte Prepreg-Lage 30 weisen jeweils auf einer ersten Oberfläche 11, 21, 31 eine aufgedruckte Radarabsorptionsschicht 12, 22, 32 auf. Die aufgedruckten Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 weisen jeweils einen unterschiedlichen Grad einer Radarabsorption auf, derart, dass der Grad der Radarabsorption von der ersten Prepreg-Lage 10 bis zur dritten Prepreg-Lage 30 zunimmt. Die erste Prepreg-Lage 10 ist in Einbaulage des Verbundbauteiles der Richtung einer zu dämpfenden Radarstrahlung zugewandt.
Die Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 weisen jeweils elektrisch leitende Partikel und/oder magnetische Partikel auf. Die eingesetzten elektrisch leitenden Partikel und/oder magnetischen Partikel beeinflussen den Grad der Radarabsorption.
Eine flächenbezogene Masse an elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln der aufgedruckten Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 nimmt von der ersten Prepreg-Lage 10 zur dritten Prepreg-Lage 30 zu, wodurch auch der Grad der Radar-Absorption von der ersten Prepreg-Lage 10 zur dritten Prepreg-Lage 30 zunimmt.
Die 2 illustriert ein Prepreg-Set mit einzelnen Prepreg-Lagen mit jeweils einer aufgedruckten Radarabsorptionsschicht zur Herstellung des in 1 gezeigten Verbundbauteils 1. Die einzelnen Prepreg-Lagen weisen jeweils einen eingestellten Grad einer Radarabsorption auf. Ein zunehmender Grad einer Radarabsorption ist durch eine mit breiteren Linien gezeichnete Honigwabenstruktur der Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 illustriert.
Das allgemeine Herstellungsverfahren beinhaltet folgende Schritte:

- Aufdrucken einer Radarabsorptionsschicht 12, 22, 32 auf einer ersten Oberfläche 11, 21, 31 einer mindestens ersten Prepreg-Lage 10, einer zweiten Prepreg-Lage 20 und einer dritten Prepreg-Lage 30,
- derart, dass ein Grad einer Radarabsorption der jeweils aufgedruckten Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 von der ersten Prepreg-Lage 10 bis zur dritten Prepreg-Lage 30 zunimmt,
- stoffschlüssiges Verbinden mindestens der ersten Prepreg-Lage 10, der zweiten Prepreg-Lage 20 und der dritten Prepreg-Lage 30 in der Reihenfolge des Grades der Radarabsorption zu einem Verbundbauteil 1.

Die 3 zeigt eine Vorrichtung zum Drucken der Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 am Beispiel der Radarabsorptionsschicht 12.
Die Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 werden jeweils aufgedruckt unter Verwendung mindestens einer Suspension mit elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln.
Die Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 werden derart mit der mindestens einen Suspension gedruckt, dass eine flächenbezogene Masse an den elektrisch leitenden Partikeln und/oder den magnetischen Partikeln der aufgedruckten Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 von der ersten Prepreg-Lage 10 zur dritten Prepreg-Lage 30 zunimmt.
Eine Konzentration an elektrisch leitenden Partikeln und/oder an magnetischen Partikeln in der mindestens einen Suspension wird in Abhängigkeit vom Grad der Radarabsorption einer jeweiligen Radarabsorptionsschicht 12, 22, 32 eingestellt.
Die Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 werden jeweils aufgedruckt unter Verwendung einer mit einem ersten Druckkopf 70 aufgetragenen, ersten Suspension mit elektrisch leitenden Partikeln und einer mit einem zweiten Druckkopf 80 aufgetragenen, zweiten Suspension mit magnetischen Partikeln.
Die erste Suspension ist eine kolloidale Suspension, die auf die zu absorbierende Frequenz angepasst ist. Die elektrisch leitenden Partikel der ersten Suspension sind Silber-Partikel oder alternativ Gold-Partikel mit einem Durchmesser von beispielsweise 40-120 µm. Das Lösungsmittel der ersten Suspension ist beispielsweise Wasser oder alternativ Ethanol oder Isopropanol.
Die zweite Suspension ist ebenfalls eine kolloidale Suspension, die ebenfalls auf die zu absorbierende Frequenz angepasst ist. Die magnetischen Partikel der zweiten Suspension sind beispielsweise Carbonyleisen mit einem Durchmesser von beispielsweise 40-120 µm. Das Lösungsmittel der zweiten Suspension ist beispielsweise Wasser oder alternativ Ethanol oder Isopropanol.
Zur Einstellung der Konzentration der elektrisch leitenden Partikel der ersten Suspension wird über eine Dosiereinrichtung 71 eine hochkonzentrierte Suspension 72 mit leitfähigen Partikeln und über eine Dosiereinrichtung 76 eine Verdünnungslösung 77 dem ersten Druckkopf 70 zugeführt. Die Mischung aus hochkonzentrierter Suspension 72 mit leitfähigen Partikeln und Verdünnungslösung 77 bestimmt die Höhe der Konzentration.
Zur Einstellung der Konzentration der magnetischen Partikel der zweiten Suspension wird über eine Dosiereinrichtung 81 eine hochkonzentrierte Suspension 82 mit magnetischen Partikeln und über eine Dosiereinrichtung 86 eine Verdünnungslösung 87 dem zweiten Druckkopf 80 zugeführt. Die Mischung aus hochkonzentrierter Suspension 82 mit magnetischen Partikeln und Verdünnungslösung 87 bestimmt die Höhe der Konzentration.
Mit dem ersten Druckkopf 70 wird die erste Suspension mit einer eingestellten Konzentration an elektrisch leitenden Partikeln aufgetragen. Dann wird mit dem zweiten Druckkopf 80 die zweite Suspension mit einer eingestellten Konzentration an magnetischen Partikeln aufgetragen. Wahlweise bei Raumtemperatur oder bei leicht erhöhter Temperatur oder unter Vakuum lässt man das oder die Lösungsmittel der ersten und zweiten Suspension verdampfen. Bei der Wahl der Temperatur ist darauf zu achten, dass das Epoxidharz noch nicht vernetzt
Eingehend auf die Radarabsorptionsschichten, werden die radarabsorbierenden Eigenschaften, wie der Grad der Radarabsorption und die bevorzugte Frequenz der Absorption, über die Variation der Materialeigenschaften der Partikel und über die Form der gedruckten Strukturen eingestellt. Die Form der gedruckten Struktur kann eine Honigwabenstruktur sein. Eine einzelne Honigwabe wirkt hierbei als elektrischer Schwingkreis. Auch andere Schwingkreisformen sind möglich und denkbar. Durch die Wahl einer Schwingkreisform und eine Variation der Größe, der kapazitiven und induktiven Eigenschaften kann die Resonanzfrequenz so angepasst werden, dass sich ein erwünschter Grad einer Radarabsorption für eine zu dämpfende Frequenz ergibt. Gedruckte Spulen und Kapazitäten sind auch möglich, um die Frequenz anzupassen. Durch eine Wahl der eingesetzten magnetischen und/oder elektrisch leitenden Partikel im Hinblick auf den Werkstoff der Partikel, der Dicke der Beschichtung, deren Masse und deren örtliche Verteilung im Druckmuster können die radarabsorbierenden Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Ebenso ist es möglich, durch die gedruckte Struktur auch niedrige Frequenzen unterhalb von 2 GHz zu dämpfen, die mit herkömmlichen radarabsorbierenden Materialien schwierig zu dämpfen sind.
Der Grad einer Radarabsorption der jeweils aufgedruckten Radarabsorptionsschichten 12, 22, 32 soll von der ersten Prepreg-Lage 10 bis zur dritten Prepreg-Lage 30 so zunehmen, dass die Dämpfung der Radarstrahlung maximal ist.
Zur Herstellung des Verbundbauteils werden die einzelnen Prepreg-Lagen in der Reihenfolge der aufsteigenden Radarabsorption aufeinandergelegt. Danach wird der erhaltene Prepreg-Stapel in einem Autoklaven bei einem Unterdruck von typischerweise bis zu 6 bar und einer Temperatur von ca. 170°C ausgehärtet.
Die Aushärtung des Verbundbauteils findet bei höheren Temperaturen statt. Daher kommt es zu einer Versinterung der elektrisch leitenden Partikel, was zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit führt. Dagegen ist eine Versinterung der magnetischen Partikel nicht notwendig und auch nicht gewünscht, da ihre Wechselwirkung über das magnetische Austauschintegral gegeben ist. Die Art der magnetischen Wechselwirkung kann durch den Abstand der magnetischen Partikel beeinflusst werden kann. Dieser Abstand wiederum kann durch eine Beschichtung beeinflusst werden.
Das in 1 dargestellte Verbundbauteil ist aus Prepregs gefertigt, die aus mit Epoxidharz vorimprägnierten Kohlenstofffasern bestehen. Abweichend hierzu können auch Prepregs verwendet werden, die mit Epoxidharz vorimprägnierte Glas-, Aramidfasern oder andere Fasern umfassen. Die Matrix kann auch ein Thermoplast sein.
Das in 1 dargestellte Verbundbauteil wurde in einem im Autoklaven verfestigt. Abweichend hierzu können auch kalthärtende Systeme verwendet werden.
Das in 1 dargestellte Verbundbauteil 1 weist aus Gründen einer besseren Illustration lediglich drei Prepreg-Lagen 10, 20 und 30 auf. Die typische Dicke eines Prepregs beträgt 0,125 mm oder 0,25 mm. Verbundbauteile weisen typischerweise eine Dicke von 20 mm auf. Daher besteht ein typisches Verbundbauteil im Gegensatz zum in 1 dargestellten Verbundbauteil aus 8 bis 16 Prepreg-Lagen.
Das in 1 dargestellte Verbundbauteil 1 ist ein Rohbauteil, das weiterbearbeitet werden kann. So kann das Rohbauteil eine Oberflächenbeschichtung erhalten.
In 3 werden ein erster Druckkopf 70 und zweiter Druckkopf 80 eingesetzt. Ein einziger Druckkopf würde auch genügen. Dabei müsste jedoch der Druckkopf gereinigt werden, wenn man nach einem Drucken einer Suspension mit leitfähigen Partikeln mit dem gleichen Druckknopf eine Suspension mit magnetischen Partikeln drucken möchte, und umgekehrt.
Bezugszeichenliste

1: Verbundbauteil
10: erste Prepreg-Lage 10
11: erste Oberfläche
12: Radarabsorptionsschicht
20: zweite Prepreg-Lage
21: erste Oberfläche
22: Radarabsorptionsschicht
30: dritte Prepreg-Lage
31: erste Oberfläche
32: Radarabsorptionsschicht
70: erster Druckknopf
71: Dosiereinrichtung
72: hochkonzentrierte Suspension mit leitfähigen Partikeln
76: Dosiereinrichtung
77: Verdünnungslösung
80: zweiter Druckknopf
81: Dosiereinrichtung
82: hochkonzentrierte Suspension mit magnetischen Partikeln
86: Dosiereinrichtung
87: Verdünnungslösung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2421701 B1 [0003]

Claims

Verbundbauteil (1), mit folgenden Merkmalen: a) das Verbundbauteil (1) umfasst mindestens eine erste Prepreg-Lage (10), eine zweite Prepreg-Lage (20) und eine dritte Prepreg-Lage (30), die stoffschlüssig miteinander verbunden sind, b) die mindestens erste Prepreg-Lage (10), zweite Prepreg-Lage (20) und dritte Prepreg-Lage (30) weisen jeweils auf einer ersten Oberfläche (11, 21, 31) eine aufgedruckte Radarabsorptionsschicht (12, 22, 32) auf, c) die Radarabsorptionsschichten (12, 22, 32) weisen jeweils einen unterschiedlichen Grad einer Radarabsorption auf, derart, dass der Grad der Radarabsorption von der mindestens ersten Prepreg-Lage (10) bis zur dritten Prepreg-Lage (30) zunimmt.
Verbundmaterial (1) nach Anspruch 1, bei dem die Radarabsorptionsschichten (12, 22, 32) jeweils elektrisch leitende Partikel und/oder magnetische Partikel aufweisen.
Verbundbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem eine flächenbezogene Masse an elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln der jeweiligen Radarabsorptionsschichten (12, 22, 32) von mindestens der ersten Prepreg-Lage (10) zur dritten Prepreg-Lage (30) zunimmt.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils (1), mit folgenden Merkmalen: - Aufdrucken einer Radarabsorptionsschicht (12, 22, 32) auf einer ersten Oberfläche (11, 21, 31) einer mindestens ersten Prepreg-Lage (10), einer zweiten Prepreg-Lage. (20) und einer dritten Prepreg-Lage (30), - derart, dass ein Grad einer Radarabsorption der jeweils aufgedruckten Radarabsorptionsschichten (12, 22, 32) von der mindestens ersten Prepreg-Lage (10) bis zur dritten Prepreg-Lage (30) zunimmt, - stoffschlüssiges Verbinden mindestens der ersten Prepreg-Lage (10), der zweiten Prepreg-Lage (20) und der dritten Prepreg-Lage (30) in der Reihenfolge des Grades der Radarabsorption zu einem Verbundbauteil (1).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Radarabsorptionsschichten (12, 22, 32) jeweils aufgedruckt werden unter Verwendung von mindestens einer Suspension mit elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Radarabsorptionsschichten (12, 22, 32) derart mit der mindestens einen Suspension gedruckt werden, dass eine flächenbezogene Masse an elektrisch leitenden Partikeln und/oder magnetischen Partikeln in den jeweiligen Radarabsorptionsschichten (12, 22, 32) von der mindestens ersten Prepreg-Lage (10) bis zur dritten Prepreg-Lage (30) zunimmt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem eine Konzentration an elektrisch leitenden Partikeln und/oder an magnetischen Partikeln in der mindestens einen Suspension in Abhängigkeit vom Grad der Radarabsorption einer jeweiligen Radarabsorptionsschicht (12, 22, 32) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Radarabsorptionsschichten (12, 22, 32) jeweils aufgedruckt werden unter Verwendung einer mit einem ersten Druckkopf (70) aufgetragenen Suspension mit elektrisch leitenden Partikeln und einer mit einem zweiten Druckkopf (80) aufgetragenen Suspension mit magnetischen Partikeln.