DE102020115980A1 - Method for producing a flat fiber composite material, a flat fiber composite material, a stack arrangement and the use of a flat fiber composite material - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Faserverbundmaterials (20), gekennzeichnet durcha) das Verbinden von Endlosfasern (1) in und / oder an einer Matrix (2) umfassend einen MIM-Feedstock zur Herstellung eines ersten Formteils (11), wobei das erste Formteil (11) bei der Herstellung als flächiges Gebilde ausgebildet wird,b) einem Entbindern des ersten Formteils (11) zur Herstellung eines zweien Formteils (12) undc) einem anschließenden Sintern des zweiten Formteils (12) zur Herstellung des flächigen Faserverbundmaterials (20). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein flächiges Faserverbundmaterial, eine Stapelanordnung von flächigen Faserverbundmaterialen eine Verwendung.The invention relates to a method for producing a flat fiber composite material (20), characterized bya) connecting continuous fibers (1) in and / or on a matrix (2) comprising a MIM feedstock for producing a first molded part (11), wherein the first molded part (11) is formed as a flat structure during production, b) debinding of the first molded part (11) to produce a second molded part (12) and c) subsequent sintering of the second molded part (12) to produce the flat fiber composite material (20) ). The invention also relates to a flat fiber composite material, a stack arrangement of flat fiber composite materials and a use.
Description
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Faserverbundmaterials mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein flächiges Faserverbundmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 10, einer Stapelanordnung mit flächigen Faserverbundmaterialien mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und eine Verwendung eines flächigen Faserverbundmaterials oder einer Stapelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.The present disclosure relates to a method for producing a flat fiber composite material with the features of
Mechanische Bauteile - z.B. in Flugzeugtriebwerken -werden im Betrieb erheblichen mechanischen Belastungen, wie z.B. Fliehkräften ausgesetzt. Dabei ist es u.a. bekannt, diese Bauteile aus hochbelastbaren Metallen oder Metalllegierungen herzustellen. Aus der
Es besteht die Aufgabe, Mittel zu schaffen, mit denen insbesondere mechanischen Belastungen in Bauteilen gezielt entgegengewirkt werden kann.The object is to create means with which, in particular, mechanical loads in components can be counteracted in a targeted manner.
Gemäß einem ersten Aspekt wird dabei ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Faserverbundmaterials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestelltAccording to a first aspect, a method for producing a flat fiber composite material having the features of
Das flächige Faserverbundmaterial wird dabei durch eine Abfolge von Schritten hergestellt.The flat fiber composite material is produced in a sequence of steps.
Zunächst erfolgt ein Verbinden von Endlosfasern in und / oder an einer Matrix, wobei die Matrix eine Pulver-Binder-Mischung, insbesondere einen MIM-Feedstock aufweist. Grundsätzlich sind Pulver-Binder-Mischungen zur Herstellung von Formteilen auch aus dem Bereich der additiven Fertigungsverfahren bekannt. Damit wird dann ein erstes Formteil hergestellt, wobei das erste Formteil als flächiges Gebilde ausgebildet wird.First, continuous fibers are connected in and / or on a matrix, the matrix having a powder-binder mixture, in particular an MIM feedstock. In principle, powder-binder mixtures for the production of molded parts are also known from the field of additive manufacturing processes. A first molded part is then produced in this way, the first molded part being designed as a flat structure.
Später erfolgt dann ein Entbindern des ersten Formteils zur Herstellung eines zweiten Formteils, das nach der Entbinderung ebenfalls flächig ausgebildet ist.Debinding of the first molded part then takes place later in order to produce a second molded part which, after debinding, is also flat.
Dann wird anschließend ein Sintern des zweiten Formteils zur Herstellung des flächigen Faserverbundmaterials durchgeführt. Das flächige Faserverbundmaterial kann z.B. auf einer Rolle aufgerollt werden, um es dann später weiter zu verwenden. Grundsätzlich kann das flächige Faserverbundmaterial dann im Zusammenhang mit einem Bauteil eingesetzt werden, indem es z.B. mit dem Bauteil verbunden wird. Das flächige Faserverbundmaterial kann aber auch selbst - z.B. als eine Lage - ein Bauteil sein, das z.B. in einem Flugzeugtriebwerk verwendet wird.The second molded part is then subsequently sintered to produce the flat fiber composite material. The flat fiber composite material can be rolled up on a roll, for example, so that it can be used again later. In principle, the flat fiber composite material can then be used in connection with a component, e.g. by connecting it to the component. The flat fiber composite material can also itself - e.g. as a layer - be a component that is used e.g. in an aircraft engine.
Für das Material des MIM-Feedstocks (MIM: metal injection moulding) der Matrix können Eisen, Titan, Leichtmetalle, Kupfer und / oder Nickel oder eine Legierung aus Eisen, Titan, Leichtmetallen und / oder Nickel verwendet werden. Diese Materialien bieten eine hohe Festigkeit und eine hohe Temperaturfestigkeit, was insbesondere für die Anwendung in Flugzeugtriebwerken von großer Bedeutung ist.For the material of the MIM feedstock (MIM: metal injection molding) of the matrix, iron, titanium, light metals, copper and / or nickel or an alloy of iron, titanium, light metals and / or nickel can be used. These materials offer high strength and high temperature resistance, which is particularly important for use in aircraft engines.
In einer Ausführungsform kann die Endlosfaser eine Siliziumkarbidfaser sein oder eine Siliziumkarbidfaser aufweisen. SiC Fasern sind hochfeste und temperaturbeständige keramische Fasern. Zusätzlich oder alternativ können die Endlosfasern eine Beschichtung, insbesondere mit Titankarbid, Titannitrid, Bornitrid, SCS und / oder Metallbeschichtungen aufweisen.In one embodiment, the continuous fiber can be a silicon carbide fiber or comprise a silicon carbide fiber. SiC fibers are high-strength and temperature-resistant ceramic fibers. Additionally or alternatively, the continuous fibers can have a coating, in particular with titanium carbide, titanium nitride, boron nitride, SCS and / or metal coatings.
Dabei können Endlosfasern z.B. von einem Band abgerollt werden, weisen aber Mittel mindestens eine Länge von mehr als 50 mm auf.Continuous fibers can be unrolled from a tape, for example, but have a length of at least 50 mm.
Das flächige Faserverbundmaterial kann in einer Ausführungsform als Platte, Folie oder als Band ausgebildet sein, wobei das Verhältnis von Querschnittsbreite zu Querschnittshöhe zwischen 3 und 80, insbesondere zwischen 5 und 60 liegt. Bei einem Verhältnis von Querschnittsbreite zu Querschnittshöhe von 80 liegt eine Art Folie vor. Bei einem Verhältnis von Querschnittsbreite zu Querschnittshöhe von 3 könnte man das flächige Faserverbundmaterial eher als Band bezeichnen. Für praktische Anwendungen insbesondere im Bereich einer Flugzeugtriebwerkes kann das Band eine Querschnittsbreite von 10 bis 30 mm, insbesondere 15 bis 20 mm, und eine Querschnittshöhe von 0,5 bis 2 mm aufweisen.In one embodiment, the flat fiber composite material can be designed as a plate, film or strip, the ratio of cross-sectional width to cross-sectional height being between 3 and 80, in particular between 5 and 60. With a ratio of cross-section width to cross-section height of 80, a type of film is present. With a ratio of cross-sectional width to cross-sectional height of 3, the flat fiber composite material could be referred to as a tape. For practical applications, in particular in the area of an aircraft engine, the band can have a cross-sectional width of 10 to 30 mm, in particular 15 to 20 mm, and a cross-sectional height of 0.5 to 2 mm.
Ein Band oder die Folie können in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens nach dem Sintern auf eine Rolle aufgewickelt werden. Damit sind eine gute Lagermöglichkeit und eine effiziente Weiterverarbeitung möglich.In a further embodiment of the method, a tape or the film can be wound onto a roll after sintering. This enables good storage options and efficient further processing.
In einer weiteren Ausführungsform kann das erste Formteil durch Extrusion, Kalandrieren, Spritzgießen oder Pressen hergestellt werden, wobei die Endlosfasern mit dem Material der Matrix vor der Verarbeitung vermischt werden und / oder die Endlosfasern bei Verarbeitung getrennt mit dem Material der Matrix verbunden werden. In jedem Fall liegt eine Umhüllung der Endlosfasern durch das Matrixmaterial (d.h. die Pulver-Binder-Mischung, insbesondere den MIM-Feedstock) vor.In a further embodiment, the first molded part can be produced by extrusion, calendering, injection molding or pressing, the continuous fibers being mixed with the material of the matrix prior to processing and / or the continuous fibers being separately connected to the material of the matrix during processing. In any case, the continuous fibers are sheathed by the matrix material (i.e. the powder-binder mixture, in particular the MIM feedstock).
Die Aufgabe wird auch durch flächiges Faserverbundmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Das flächige Faserverbundmaterial kann auch mehrlagig in Form einer Stapelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 verwendet werden. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die mindestens zwei Lagen des flächigen Faserverbundmaterials mittels eines Lasers miteinander verschweißt sind.The object is also achieved by a flat fiber composite material with the features of claim 10. The flat fiber composite material can also be used in multiple layers in the form of a stack arrangement with the features of
Das flächige Faserverbundmaterial oder die Stapelanordnung, können in einer weiteren Ausführungsform zur gezielten Verstärkung eines Bauteils dienen, wobei die Verstärkung insbesondere in einem Bereich besonderer mechanischer Belastung vorliegt. Das Bauteil kann z.B. ein metallisches Bauteil, ein keramisches Bauteil oder Bauteil aus Verbundmaterialien, insbesondere in einem Flugzeugtriebwerk sein.In a further embodiment, the flat fiber composite material or the stacked arrangement can serve for the targeted reinforcement of a component, the reinforcement being in particular in an area of particular mechanical stress. The component can, for example, be a metallic component, a ceramic component or a component made of composite materials, in particular in an aircraft engine.
Ausführungsformen werden im Folgenden beispielhaft anhand von Figuren beschreiben. Dabei zeigt
-
1 schematisch eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines flächigen Faserverbundmaterials; -
2 schematisch eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines flächigen Faserverbundmaterials; -
3A eine schematische Querschnittansicht eines ersten Formteils, bei dem die Endlosfasern im Inneren der Matrix des ersten Formteils angeordnet sind; -
3B eine schematische Querschnittansicht eines ersten Formteils, bei dem die Endlosfasern an der Außenseite der Matrix des ersten Formteils angeordnet sind; -
4 eine schematische Darstellung einer Extrusion zur Herstellung des ersten Formteils; -
5 eine schematische Darstellung einer Kalandriervorrichtung zur Herstellung des ersten Formteils; -
6 eine schematische Darstellung einer Pressenvorrichtung zur Herstellung des ersten Formteils; -
7 eine schematische Darstellung einer Stapelanordung von flächigen Faserverbundmaterialien; -
8 eine schematische Darstellung einer Anwendung am Umfang einer Turbinenscheibe.
-
1 schematically a first embodiment of a method for producing a flat fiber composite material; -
2 schematically a second embodiment of a method for producing a flat fiber composite material; -
3A a schematic cross-sectional view of a first molded part, in which the continuous fibers are arranged in the interior of the matrix of the first molded part; -
3B a schematic cross-sectional view of a first molded part, in which the continuous fibers are arranged on the outside of the matrix of the first molded part; -
4th a schematic representation of an extrusion for the production of the first molded part; -
5 a schematic representation of a calendering device for producing the first molded part; -
6th a schematic representation of a press device for producing the first molded part; -
7th a schematic representation of a stack arrangement of flat fiber composite materials; -
8th a schematic representation of an application on the periphery of a turbine disk.
Im Folgenden wird anhand der
Unter flächig wird hier eine Faserverbundmaterial verstanden, dessen Querschnitt in Breitenrichtung
Typische Ausgestaltungen eines flächigen Faserverbundmaterials
In einer Ausführungsform des flächigen Faserverbundmaterials
MIM-Feedstock
In einem ersten Verfahrensschritt werden Endlosfasen
In der
Nach der Formgebung
In einem nächsten Schritt wird dieses erste Formteil
Abschließend wird das zweite Formteil
In der
Bei der zweiten Ausführungsform werden die Endlosfasern
Ansonsten entspricht die Abfolge der Verfahrensschritte der ersten Ausführungsform gemäß
Im Übrigen können die Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden, so dass Endlosfasern
Als Herstellungsverfahren für das erste Formteil
Es ist aber zusätzlich oder alternativ möglich, dass die Endlosfasern
Anhand der Darstellungen der
In jedem Fall ist es möglich, die Endlosfasern
Alternativ kann die Herstellung des ersten Formteils
In ähnlicher Weise würde ein Einbringen der Endlosfasern
In
In einer weiteren Ausführungsform kann das flächige erste Formteil
In allen Fällen liegt am Ende ein flächiges Faserverbundmaterial
Als MIM-Feedstock
Die Endlosfaser
In
Dargestellt ist im Querschnitt eine Stapelanordnung (stack) mit vier aufeinanderliegenden Lagen
Die Verbindung der einzelnen Lagen
In
Grundsätzlich ist es auch möglich, das flächige Faserverbundmaterial
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.It should be understood that the invention is not limited to the embodiments described above and various modifications and improvements can be made without departing from the concepts described herein. Any of the features can be used separately or in combination with any other features, provided that they are not mutually exclusive, and the disclosure extends to and includes all combinations and subcombinations of one or more features described herein.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- EndlosfaserContinuous fiber
- 22
- Matrix matrix
- 55
- MetallpulverMetal powder
- 66th
- thermoplastischer Binderthermoplastic binder
- 77th
- Pulver-Binder-Mischung, MIM-Feedstock Powder-binder mixture, MIM feedstock
- 1111th
- erstes Formteilfirst molding
- 1212th
- zweites Formteil second molding
- 2020th
- flächiges Faserverbundmaterialflat fiber composite material
- 2121
- Lage in einer Stapelanordnung aus flächigen Faserverbundmaterialien Layer in a stack arrangement made of flat fiber composite materials
- 3030th
- Bauteil Component
- 100100
- Mischermixer
- 101101
- Formgebung für erstes FormteilShaping for the first molded part
- 102102
- Entbindern Debinding
- 200200
- ExtruderExtruder
- 201201
- ExtrusionswerkzeugExtrusion tool
- 202202
- KalanderwalzenCalender rolls
- 203203
- PresswalzePress roll
- 204204
- Rolle für flächiges Faserverbundmaterial Roll for flat fiber composite material
- BB.
- Breite des Querschnitts eines flächigen FaserverbundmaterialsWidth of the cross section of a flat fiber composite material
- EE.
- ExtrusionsrichtungDirection of extrusion
- HH
- Höhe des Querschnitts eines flächigen FaserverbundmaterialsHeight of the cross section of a flat fiber composite material
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 5876659 A1 [0002]US 5876659 A1 [0002]
- DE 102004008337 A1 [0002]DE 102004008337 A1 [0002]
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-
2020
- 2020-06-17 DE DE102020115980.3A patent/DE102020115980A1/en not_active Withdrawn
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