DE3718676A1 - Formkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus einem Verbund­ werkstoff von Metall und faserverstärktem Kunststoff sowie Verfahren zu dessen Herstellung.

Ein faserverstärktes Verbundbauteil das Metall und Keramik verbinden soll ist z. B. in der DE-C-33 27 219 beschrieben. Dort ist bereits darauf hingewiesen, daß bei großen Wärme­ dehnungsunterschieden zwischen den zu verbindenden Materia­ lien vieles gegen die Verwendung in einem Verbundbauteil spricht. Dies trifft auch für einen Verbund von Metallen mit Kunststoff zu.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Metall­ kunststoff-Verbundbauteil zu schaffen und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, bei dem einerseits Tempe­ ratureinflüsse im Betrieb möglichst nicht durch das wärme­ leitfähige Metall übertragen werden können und anderer­ seits den Verbundkörper mit einer höheren Bruch- und Schlag­ festigkeit auszustatten, als es das nichtmetallische Ma­ terial alleine besitzen würde.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch ent­ haltenen Merkmale. Weitere Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Hierzu gehören auch Herstellverfahren für das Verbundbauteil.

Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sind:

Die Erfindung schafft eine Reihe neuer Anwendungsmöglich­ keiten für ein solches Verbundbauteil, das in der Fachwelt zu der Gruppe der Hybride gezählt wird. Ein wesentlicher Vorteil eines solchen Bauteils ist sein geringes Gewicht, gute Formgebungsmöglichkeit und eine hohe Oberflächen­ güte. Teile aus solchem Verbundwerkstoff lassen sich ein­ fach und preiswert in Serie fertigen.

Die Erfindung ermöglicht teure metallische Rohstoffe ein­ zusparen und trotz höherer Festigkeit und Steifigkeit beträgt die Gewichtsersparnis je nach Verbundbauteil bis etwa 30%.

Durch die Art des Verbunds bzw. durch den Aufbau des Form­ körpers, in Kern-Mantel Konfiguration, sandwichartig oder ähnlich, wobei Kern und Mantel einerseits vielfach verbun­ den, andererseits ohne Kontakt miteinander angeordnet sind, entsteht der große Vorteil, daß das festere Bestand­ teil insbesondere aus metallischem Werkstoff auch dann noch Energie aufnehmen kann, insbesondere hohe Belastungen mechanischer Art, wenn die Verstärkungsfasern, -fäden oder dergleichen bereits gebrochen sind. Dabei kann der metallische Werkstoff Durchtritte, wie Öffnungen, Bohrun­ gen, Löcher, Poren, Kanäle oder andere Hohlräume aufwei­ sen, durch die die Fäden, Fasern, Whisker einzeln oder miteinander in an sich bekannter Weise verknüpft werden z. B. als Gewebe, Netz, Matte, Filz, Gelege oder ähnliches und die Fäden, Fasern, Whisker oder dergleichen treten dann durch die Öffnungen oder Hohlräume hindurch bzw. werden durch diese hindurchgeführt, maschinell z. B nach Art einer Nähmaschine, wobei die einzelnen Fäden oder ähnliches mit Vorteil vorher imprägniert sind oder die Hohlräume des metallischen Werkstoffs vorher infiltriert sind mit Kunststoff, der sich dabei auch in plastischem Zustand befindet.

Mit Vorteil wird dieser Vorverbund von metallischem Werk­ stoff mit nichtmetallischen Fäden, Faser, Whisker oder deren Geweben, Netzen oder ähnlichen Strukturen zuerst hergestellt und danach das sandwichartige Laminat oder das Halbzeug oder das Beinahe-Endteil oder das Fertigteil. Für dieses Ausformen in Kunststoff hat sich ein Spritz­ vorgang, ein Gießvorgang oder ein Preßvorgang insbeson­ dere ein Kalt- oder Heißpressen bewährt, wie in der Kunst­ stofftechnik üblich. Verschiedene Zwischenstufen insbe­ sondere Vor- oder Nachbehandlungen können in gewünschter Weise je nach Ausgangsmaterialien oder gewünschtem End­ zustand zwischengeschaltet werden. Zum Beispiel kann eine kohlen­ stoffhaltige Spritzmasse entkokt werden oder es kann ein Basisteil oder Substrat siliziert oder nitriert werden. Ebenso kann ein bereits kohlenstoffhaltiges Basisteil oder Substrat wenigstens teilweise in Carbid umgewandelt werden und Grundstoffe die sich in wasserstoffhaltiger Atmosphäre in Reaktion bringen lassen, können, z. B. wäh­ rend eines reaktiven Aufsputterns oder Aufstäubens oder eines Ionenbombardements, in wasserstoffhaltiger Atmos­ phäre behandelt werden. Je nach gewünschter Oberfläche kann auch ein Glasieren oder Emaillieren angeschlossen werden. Kunststoffe können in verschiedenartiger Weise metallisiert werden, wie an sich bei der Herstellung von Substraten für Leiterplatten in der Elektronik bekannt. Auch das Einlagern oder Dotieren von Teilchen unterschied­ lichen Materials in Oberflächen mittels Hochenergiestrah­ len ist an sich bekannt und hier ebenfalls anwendbar. Die Kunststoffe sind mit Vorteil vernetzbar und/oder aus­ härtbar in der Form.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung rein schematisch dargestellt und in der nach­ folgenden Beschreibung erläutert.

Fig. 1 zeigt den metallischen Teil des Formkörpers,

Fig. 2 den metallischen Körper mit der Faserverstärkung verbunden,

Fig. 3 ein Formkörper als Laminat in Sandwichform mit metallischem Kern,

Fig. 4 einen Faserverband (Kette und Schuß).

Wie Fig. 1 zeigt bildet die Seele oder den Kern (1) des Formkörpers (4) aus Verbundwerkstoff eine metallische Platte, Schicht, Folie oder ähnliches von relativ geringer Dicke, insbesondere in Blechstärke im Millimeterbereich und darunter, wobei in den metallischen Kern 1 Öffnungen 2, z. B. galvanisiert, hindurchplattiert, abgeätzt, durch­ bohrt, erodiert oder in ähnlicher Weise hergestellt sind. Die Öffnungen 2 werden in gewünschter Größe und regelmä­ ßiger oder unregelmäßiger Verteilung über die Fläche des metallischen Kerns verstreut angeordnet. Dabei ist wich­ tig, daß die Öffnungen 2 zwar relativ größer sind als die hindurchtretenden Fäden, Fasern, Whiskern oder ähn­ liches 3 jedoch nicht erheblich größer, sondern nur so­ viel, daß bei 5 eine Kunststoffimprägnierung oder -infil­ trierung, Abstand zwischen metallischem Teil und Fäden, Fasern, Whiskern oder dergleichen schafft.

Andererseits ist die Anzahl und Verteilung der Öffnungen 2 in dem metallischen Kern 1 so gewählt, daß die mechanische Festigkeit des metallischen Teils als Ganzes nicht geschwächt wird. Das metallische Teil 1 kann durch Walzen, z. B. aus Blech oder sonstwie als Folie hergestellt werden insbe­ sondere als Band, auch in Schichttechnik, z. B. durch Bedampfen, galvanisch oder chemisch abgeschieden. Dabei kann auch ein wiederentfernbares Kunststoffsubstrat mit dem metallischen Teil 1 verbunden sein oder umgekehrt. Die Ausnehmungen in dem metallischen Teil in Form von Öffnungen, Bohrungen, Löchern, Poren oder ähnlichem lassen gegebenenfalls nach zusätzlicher Behandlung - den Durch­ tritt von Fäden, Fasern, Whiskern aus dem Verstärkungsma­ terial wie Aramidfasern oder Kohlenstoffasern und/oder Glas und/oder als Hybrid aus zweien oder dreien dieser Stoffe zu. Damit kein direkter Kontakt zwischen den Fasern oder ähnlichem zur metallischen Seele oder Kern entsteht, werden die Verstärkungsfasern einzeln oder zu mehreren z. B. in irgendeiner Weise verknüpft nachdem sie mit Kunst­ harz wie z. B. einem Epoxydharz oder Polyimiden impräg­ niert oder lackiert z. B. tauchlackiert und/oder thermisch behandelt wurden.

Oder es wird der folienartige, schichtartige, poröse oder ähnlich gestaltete metallische Kern 1 getränkt mit den oben genannten Kunststoffen, d. h. also infiltriert, ins­ besondere dessen Ausnehmungen, z. B. ebenfalls durch Tau­ chen oder dergleichen, so daß sichergestellt ist, daß die einzelnen Fäden, Fasern, Whiskern oder dergleichen durch die Öffnungen 2 hindurchtreten können ohne mit dem Metall in Kontakt zu treten (vergleiche Fig. 2) weil sie durch Kunststoff hiervon beabstandet sind.

Vorteilhaft ist dabei die Fäden 3, Fasern oder dergleichen zunächst wie Kette und Schuß mit dem metallischen Teil 1 zu verbinden, so daß ein Gewebe oder ähnliches Netz (vgl. Fig. 4) entsteht, um die Folie, Schicht oder dergleichen aus Metall herum, bzw. dieses wenigstens teilweise umge­ bend. Danach wird der so hergestellte Grundverbund durch Umspritzen, Umpressen, Umgießen oder dergleichen zu einem Halbzeug oder Laminat oder in Beinahe-Endform oder zu einem Fertigteil in seine endgültige Form gebracht (siehe Fig. 3). Dabei kann z. B. in Fig. 3 seitlich auch der metallische Kern 1 oder die Seele einseitig oder beidsei­ tig herausragen. Bei Verwendung von Kunststoff wie Thermo­ plast empfiehlt sich ein Spritzverfahren oder ein Gieß­ verfahren bei Kunstharzen wie Polyäthylen oder Polyimiden ein Preßverfahren, dabei kann ein Vernetzungsvorgang und/oder ein Aushärtungsvorgang in einer Form zwischen- oder nach­ geschaltet sein, insbesondere unter Einlagern partikularer Stoffe, wie metallische Teilchen wegen des günstigeren z. B. graduierten Überganges des thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten. Als Metalle für die Seele sind z. B. aus­ gewählt Werkstoffe aus der Gruppe Stahl, Superlegierungen, Titan, Aluminium, Kupfer oder ein Metall der Platingruppe (VIII) der Elemente und Legierungen, die wenigstens eines dieser Metalle enthalten.

Ein Laminat gemäß Fig. 3 kann auch hergestellt werden, indem z. B. auf ein Kunststoffsubstrat eine metallische Folie und/oder ein Netz aus Verstärkungsfasern aufgeklebt wird und danach erst die Umhüllung mit dem Mantelwerkstoff erfolgt. Dabei kann letzteres auch nach einem an sich bekannten Beschichtungsverfahren geschehen, wobei sich wiederum ein Pulverpackverfahren und ein Pressen in die Form bewährt hat. Statt dessen kann auch ein Spritz-, Gieß-, oder Extrusionsverfahren angewendet werden.

Die Laminate oder ähnlichen Formkörper (mit alternierendem Aufbau mehrfach übereinander und auch mit herausragender metallischer Verankerung, können sowohl als ablängbare Halbzeuge endlos z. B. bandförmig vorliegen, insbesondere wenn sie im Spritzguß oder Preßverfahren hergestellt sind oder sie können in Beinahe-Endform eines Bauteiles her­ gestellt sein, daß heißt es ist dann noch eine, wenn auch geringe Nachbearbeitung erforderlich oder sie können in einer Form als Fertigteil (d. h. im Endmaß), vorliegen.

Mit der Erfindung werden somit sehr gute Einbindungen von Metall in den faserverstärkten Kunststoff erreicht, die nicht nur aus reiner Verklebung bestehen. Die Metall­ folien können sehr dünn, unterhalb eines Millimeters, gehalten werden und sparen dadurch Werkstoff. Ebenso kön­ nen Schichten aus Graphit-, Kohlenstoffaser, Aramid- oder Glasfaser oder Hydrid hieraus etwa in der Dicke einer Faserlage von 0,05-0,2 mm gebildet werden. Die Öffnun­ gen 2 in der Folie 1 werden z. B. mit Kunstharz durchdrun­ gen, so daß die Fasern oder Fäden in die Löcher gedrückt werden und damit durch diese hindurchgeführt z. B. auch genäht werden. Auf diese Weise können Wärmedehnung und Elastizitätmodul der Metallfolie den entsprechenden Werten der umgebenden Faserlagen angepaßt, insbesondere angenä­ hert werden. Bei hohen Schlagbelastungen kann das Metall durch seine höhere Bruchdehnung noch Energie aufnehmen, wenn die Faserlagen bereits gebrochen sind. Dies ist je­ doch der äußerste Fall welcher in der Regel unerwünscht ist und durch die Trennung (Nichtkontaktierung) von Fa­ sern 3 und Metall 1 durch die Imprägnierung bzw. Tränkung mit Kunstharz oder ähnlichem vermieden werden kann. Ledig­ lich unter extremen Belastungen könnte Bruchgefahr für die Fasern bestehen, dies hat jedoch dann kein totales Versagen des Verbundbauteils zur Folge.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Thermoplasten wegen ihrer guten Verbindbarkeit zu den genannten Metallen und die Durchdringung der Öffnungen im metallischen Teil kann mit Vorteil ebenfalls mittels Thermoplasten erfolgen. Die Fasereinlagen bzw. -durchtritte können eingeführt und eingefügt werden, solange das Thermoplast noch nicht wieder vernetzt und/oder erhärtet ist. Auch Thermodur- Kunststoffe wie ABS o. a. Kunstharze sind anwendbar.

Die erfindungsgemäß hergestellten Formkörper nach Art eines Verbundwerkstoffes, insbesondere Hybridverbundwerk­ stoffes aus Metall und faserverstärktem Kunststoff, sind vielfältig anwendbar. Besonders vorteilhaft sind sie im Triebwerksbau und im Flugzeugbau, d. h. für die Luft- und Raumfahrt gleichgut anwendbar. Ebenso sowohl für sta­ tionäre Anlagen als auch in Fahrzeugen. Es können komplette Leitwerkstrukturen, Rumpf und Tragflächenbeplankungen, Versteifungen, Klappen, Verkleidungen, Radome, Gehäuse, Zwischen- und Außengehäuse und dergl. mehr, hergestellt werden. Dabei können Graphit-, Kohlenstoff-, Glas oder Kunststoffasern einschließlich Hybriden aus solchen als Gewebe oder Gelege bi- oder unidirektional hergestellt und angeordnet werden. Solche sind an sich bekannt z. B. aus den Deutschen Offenlegungsschriften 31 31 643 und 31 31 658.

Claims (16)

1. Formkörper aus einem Verbundwerkstoff von metall- und faser­ verstärktem Kunststoff, gekennzeichnet durch eine folienartige oder schichtartige oder schwammige oder netzartige metallische Seele oder Kern (1), die derart in Kunststoff (4) eingebettet ist, daß die Verstärkungsfasern (3) aus Aramid und/oder Kohlenstoff und/oder Glas die metallische Seele oder Kern (1) einerseits vielfach durch­ dringen, andererseits ohne mechanischen Kontakt zu dieser angeor­ dnet sind.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in der Art eines Sandwiches oder Laminates mit metallischer Seele oder Kern (1) ausgebildet ist und letztere bzw. letzterer von Kunststoff (4) umspritzt, umpreßt, umgossen oder dergleichen wenigstens teil­ weise umgeben, ummantelt oder umhüllt ist.

3. Formkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunst­ stoff (4) ein Thermoplast oder ein Thermodur wie Kunstharz ist.

4. Formkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunst­ stoff (4) vernetzbar und/oder aushärtbar ist in einer Form, gegebe­ nenfalls unter Einlagern oder Dotieren partikularer Stoffe.

5. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der metallische Werkstoff (1) des Verbunds ausgewählt ist aus der Gruppe: Stahl, Superlegierungen, Titan, Aluminium, Kup­ fer oder einem Metall der Platingruppe (Gruppe VIII des Periodensy­ stems der Elemente) oder Legierungen mit wenigstens einem dieser Metalle.

6. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Aramid- und/oder Kohlenstoff- und/oder Glasfasern (3) in Form einzelner Fäden oder als Gewebe, Gelege, Filz, Matte, Netz, Gitter oder dergleichen verknüpft und/oder hybridartig zusammenge­ faßt sind.

7. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem metallischen Werkstoff (1) Durchtritte wie Öffnungen, Bohrungen, Löcher, Poren, Kanäle und andere Hohlräume (2) beabstandet geschaffen sind, hergestellt durch Umgießen, Aus­ schäumen, Ätzen, Bohren, Stanzen, Ausräumen von Kernen einer Form oder auf ähnliche mechanische, chemische, elektroerosive oder elektrochemische Weise.

8. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fäden (3) durch die Öffnungen (2) hindurch ge­ führt sind, nachdem sie imprägniert (5) oder die Öffnungen (2) im metallischen Teil mit Kunststoff (4) infiltriert sind.

9. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zunächst ein Metallkunststoffaserverbund (1, 3) bzw. -zusammenfassung oder -verknüpfung und dann erst das sandwichartige Laminat hergestellt wird.

10. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ggf. nach Vorbehandlung, zunächst eine metallische Schicht (1) auf ein Kunststoffsubstrat (4) aufgebracht wird und anschließend ein bereichsweises Abätzen oder sonstiges Wiederent­ fernen des Metalls und/oder des Kunststoffs erfolgt.

11. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf ein Kunststoffsubstrat (4) eine metallische Folie (1) und/oder ein Netz aufgeklebt wird und danach der Faser- oder Fadenverbund bzw. -verband hergestellt wird.

12. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er in einem Arbeitsgang sandwichartig z. B. durch Spritzen, Gießen, Pressen oder ähnliches in seine Endform gebracht wird.

13. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er als ablängbares, endloses Halbzeug, z. B. als Band hergestellt ist.

14. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er in Beinahe-Endform eines Bauteils hergestellt ist.

15. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er als Fertigteil in einer Form mit seinen Endmaßen hergestellt wird.

16. Formkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sein metallisches Teil (1) wenigstens einseitig, vor­ zugsweise beidseitig aus dem Kunststoff (4) für Kontaktierung oder Verankerung herausragend angeordnet ist.