DE3903153A1 - Oberflaechenbehandlung von faserverbundwerkstoffen - Google Patents

Oberflaechenbehandlung von faserverbundwerkstoffen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächen aus Faserverbundwerkstoffen und die Verwendung dieser behandelten Oberfläche zum Verkleben oder zur Reparatur von Bauteilen.
Faserverbundwerkstoffe besitzen heute eine große Bedeutung in den verschiedensten Anwendungsbereichen. Je nach Art der verwendeten Faser unterscheidet man dabei z.B. zwischen glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK), synthese-oder chemiefaserverstärkten Kunst­ stoffen (SFK) und kohlenstoffverstärkten Kunststoffen (KFK oder CFK). Vor allem für die Luft- und Raumfahrttechnik werden hoch­ feste und hochsteife Verbundwerkstoffe bei geringem spezifischen Gewicht benötigt und aus diesem Grund CFK-, SFK- oder GFK-Verbund­ werkstoffe eingesetzt.
Zur Vorbehandlung dieser Verbundwerkstoffe für das Verkleben von Bauteilen sowie für die Reparatur von beschädigten Bauteilen sind die verschiedensten Vorbehandlungsmethoden bekannt. Neben dem Strahlen (z.B. mit Quarzsand), dem Flämmen und der Koronabehandlung wird in den meisten Fällen die peel-ply-Methode oder ein abrasives Verfahren, wie Schleifen oder Schmirgeln, eingesetzt.
Die peel-ply-Methode bedeutet, daß bei der Fertigung auf die Decklage eines Laminataufbaus ein Nylongewebe aufgebracht wird und während des Aushärtens dort verbleibt. Soll ein derartiges Teil verklebt werden wird dieses peel ply abgezogen und erzeugt eine einigermaßen definierte und aufgerauhte Oberfläche. Mit dieser Methode sind jedoch mehrere Nachteile verbunden:
  • a) ein weiterer Schritt in der Fertigung
  • b) zusätzliche Materialkosten
  • c) Peel ply rauht nur den Harzbereich auf und berührt nicht die Fasern (die Folge ist eine unzureichende Langzeitfestigkeit, weil die Fasern praktisch nicht mittragen).
  • d) Die Fasern berühren sich nicht, so daß es bei CFK keine aus­ reichende elektrische Leitfähigkeit gibt und die Blitzschlag­ problematik verschärft wird.
  • e) Zur Verbesserung der Eigenschaften wie sie in c) und d) aus­ gesprochen sind, ist zusätzliches Schleifen erforderlich, was kostensteigernd wirkt.
  • f) Peel ply führt zu großflächigen Aufrauhungen und ist ferti­ gungstechnisch nicht auf den Klebbereich allein zu beschrän­ ken. Großflächige Rauhigkeit ist problematisch für die spä­ tere Lackierung.
Beim abrasiven Verfahren ist die gebräuchlichste Methode das An­ schleifen der obersten Faserlagen. Eine solche Technik ist das derzeit angewendete Verfahren zur Vorbehandlung von kohlenstoff­ faserverstärkten und glasfaserverstärkten Epoxid- und Polyester­ harzen. Schleifen beschädigt jedoch in starkem Maße die obersten Faserlagen, wodurch ihr Tragverhalten erheblich beein­ trächtigt werden kann.
Die anderen Verfahren sind eher als Sonderverfahren für spezielle Anwendungen zu sehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein einheitliches einfaches und kostengünstiges Vorbehandlungsverfahren zu schaffen, daß gleichzeitig für das Kleben und die Reparatur von Bauteilen ver­ wendet werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Ober­ flächenbehandlung ein Laser verwendet wird, der so eingestellt ist, daß das ausgehärtete Polymer in einer definierten Tiefe ab­ getragen wird und die geregelte Energie des Lasers nur zur Ent­ fernung des Polymers ausreicht, ohne die Fasern erkennbar zu schädigen, die oberste Faserlage aber freigelegt wird.
Auf diese Weise ist es im Gegensatz zum Stand der Technik möglich mit einer Vorbehandlungsmethode Verbundwerkstoffe so vor­ zubehandeln, daß mit einem Verfahrensschritt das Verkleben oder die Reparatur von beschädigten Bauteilen ermöglicht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Vorbehandlungsmethode mit Laser hat sich überraschenderweise gezeigt, daß durch Auswahl geeigneter Laserparameter eine selektive thermisch-oxidative Zerstörung der obersten Harzbereiche möglich ist, ohne daß die Fasern in ihren Eigenschaften wesentlich verändert werden und so unvermindert zum Tragverhalten beitragen können. Zusätzlich läßt sich die Tiefe des entfernten Harzbereiches variieren. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß als Laser ein CO2-Laser verwendet wird. Bevorzugter Weise wird mit einem defokussierten Laserstrahl und einem Strahlformer ge­ arbeitet, sowie die Behandlung der Oberfläche unter Schutzgas ausgeführt, damit unerwünschte Oxidationen ausbleiben. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein fokussierter Laserstrahl verwendet. Hierbei muß dann eine linienförmige Bear­ beitung erfolgen, d.h. der Laserstrahl fährt eine vorher defi­ nierte Oberfläche schrittweise ab.
Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Beispiels näher er­ läutet.
Zur Untersuchung gelangten die Laminattypen 913 C/T 300 bzw. 6376/T 400. Hierbei handelt es sich um luftfahrtspezifisches CFK- Material, wie es vorzugsweise im Flugzeugbau und der Raumfahrt eingesetzt wird.
Als Laser wurde ein CO2-Laser der Marke Spektraphysics Typ 975 mit einer Ausgangsleistung von 4 kW verwendet. Es wurde mit einem defokussierten Laserstrahl unter Hinzunahme eines Strahlformers gearbeitet. Als Schutzgas wurde Argon verwendet. Die Laserein­ stellung ist aus der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen:
Fig. 1 zeigt eine REM-Aufnahme mit der Vergrößerung 50 : 1 des Laminattyps CFK 913C/T300 nach einer Oberflächenbehandlung durch Laserbestrahlung.
Fig. 2 zeigt dieselbe Oberfläche bei einer Vergrößerung 500:1.
Aus beiden Aufnahmen ist zu erkennen, daß die Faser völlig vom Matrixwerkstoff befreit wurde. Es befinden sich nicht einmal mehr organische Restsubstanzen auf der Oberfläche. Am Übergang der freigelegten Fasern zum Verbund treten durch die Wärmeentwicklung des Laserstrahls keine chemischen Veränderungen an der Struktur des Werkstoffes auf. Des weiteren ergaben REM-Aufnahmen, daß auch keine Spalten oder Rißbildungen beim Übergang der freigelegten Fasern zum Verbundwerkstoff entstanden sind.
Wie aus der Tabelle 1 zu ersehen ist, wurde beim Laminattyp 6376/ T400 eine andere Lasereinstellung gewählt. Beim Vergleich der Lasereinstellungen wird ersichtlich, daß eine mehr als doppelt so hohe Laserausgangsleistung, sowie eine sehr viel langsamere Geschwindigkeit des Laserstrahls erforderlich ist, um eine zum Laminattyp 913C/T 300 äquivalente Oberfläche zu erhalten. Die aus dieser Lasereinstellung resultierende höhere Energie pro Flächen­ einheit wird aller Voraussicht nach dafür benötigt, die hoch­ schmelzenden thermoplastischen Bestandteile dieses Laminats, die nach Informationen des Herstellers als Elastifizierungsbestandteil eingebracht worden sind, zu entfernen. Bei niedrigeren Ausgangs­ leistungen und höheren Geschwindigkeiten bleiben diese Anteile in den Faserzwischenräumen zurück und verhindern ein völliges Freilegen der Kohlenstoffasern. Aus den Fig. 3 und 4, die die Oberflächenbehandlung des Laminattyps CFK 6376 zeigen, jeweils in zwei verschiedenen Vergrößerungen, geht wiederum hervor, daß durch die Auswahl geeigneter Laserparameter das gewünschte Ergebnis er­ zielt werden kann. Auch bei diesem Laminattyp waren keine Riß­ bildungen an den Übergangstellen festzustellen.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß durch die Anwendung des Lasers als Oberflächenbehandlungsverfahren die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit bei verschiedenen Laminat­ typen erzielt werden kann. Die durchgeführten Untersuchungen haben zudem gezeigt, daß keinerlei thermische und mechanische Schädigungen an der Faser und der Matrix durch die Laser­ strahlung auftreten.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens betrifft das Verkleben derart vorbehandelter Verbundoberflächen mit weite­ ren Bauteilen. Die bevorzugte Ausführungsform umfaßt folgende Verfahrensschritte:
  • a) Oberflächenbehandlung mit Laserstrahl
  • b) anschließendes Auffüllen der behandelten Stellen mit Flüssig­ polymer
  • c) Zusammenfügen der Bauteile und
  • d) Aushärtung des Verbundes durch Kalt- oder Warmaushärten.
Besonders vorteilhaft an diesem Verfahren ist es, daß sich durch die Laservorbehandlung die Fasern wieder mit Klebstoff umhüllen lassen, wodurch in verstärktem Maße unbeschädigte Fasern zur Kraftübertragung herangezogen werden. Weiterhin bevorzugt ist es, daß die Faseroberfläche mit einem Haftvermittler ausgestattet werden kann, die Faserfreiräume können dann mit niedrigviskosem Harz aufgefüllt werden, was die Blasenbildung vermindert. Nach dem Klebstoffauftrag und der Aushärtung erfolgt dann die Kraft­ übertragung auch über die Fasern.
Ein weiterer Vorzug dieses Verfahrens ist, daß es in die Repara­ turmethodik von beschädigten Bauteilen einbezogen werden kann und dabei folgende Verfahrensschritte umfaßt:
  • a) Laservorbehandlung der beschädigten Oberfläche
  • b) Auffüllen der behandelten Oberfläche mit Flüssigpolymer
  • c) Auflegen des Reparaturlaminats
  • d) Aushärtung.
Nach dem Entfernen der groben Fragmente aus dem Schadensbereich kann die Oberfläche mit der Lasertechnik bearbeitet werden und für die Reparatur durch Freilegen der Fasern vorbereitet werden. Durch Optimierung des Verfahrens ist es möglich den Faserverbund so weit wieder herzustellen, daß die mechanischen Eigenschaften des Verbundes vor dem Schadenseintritt wieder erreicht werden. Für den Bereich der Flugzeugkonstruktion bedeutet dies die Wiederherstellung der strukturellen Integrität des beschädigten und reparierten Bauteils. Bevorzugt ist es hierbei, daß bei beschädigten Faserlagen neue Faserlagen hinzugefügt werden und diese Faserlagen mit den alten Faserlagen überlappen. Dadurch können die ursprünglichen mechanischen Festigkeiten wieder er­ reicht werden.

Claims (22)

1. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen aus Faserverbundwerk­ stoffen, bestehend aus einer Polymermatrix und Faserlagen, wobei die zu behandelnde Oberfläche durch Bearbeitung teil­ weise abgetragen wird. dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Lasers, an den für die Behandlung be­ stimmten Stellen, das ausgehärtete Polymer in einer definier­ ten Tiefe abgetragen wird und die geregelte Energie des Lasers nur zur Entfernung des Polymers ausreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das ausgehärtete Polymer bis zu einer Tiefe von 300 µm abgetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Laser ein CO2-Laser verwendet wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser ein Nd-YAG-Laser (Neodym-Yttrium-Aluminium- Granat) verwendet wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser ein Excimer-Laser verwendet wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß mit einem defokussierten Laserstrahl gearbeitet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß mit einem fokussierten Laserstrahl gearbeitet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Laserstrahl ein Strahlformer verwendet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unter Schutzgas gearbeitet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, zur Reparatur von beschädigten Bauteilen dadurch gekennzeichnet, daß an den beschädigten Stellen die Oberflächenvorbehandlung durchgeführt wird, daß die behandelten Stellen mit Flüssig­ polymer verschlossen und daß anschließend diese Stellen aus­ gehärtet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen geschädigter Faserlagen neue Faserlagen eingefügt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die neuen Faserlagen mit den ursprünglichen Faser­ lagen überlappen.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem entfernten ausgehärteten Polymer und dem neu zugefügten Polymer um dasselbe Polymer handelt.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß das entfernte ausgehärtete Polymer und das neu hinzuge­ fügte Polymer eine unterschiedliche Zusammensetzung auf­ weisen.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer kalt ausgehärtet wird.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer warm ausgehärtet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9 zum Verbinden von Bauteilen dadurch gekennzeichnet, daß an den für die Verbindung vorgesehenen Stellen der Bau­ teile die Oberflächenbehandlung durchgeführt wird, an­ schließend die behandelten Stellen mit Flüssigpolymer aufge­ füllt, die Bauteile zusammengefügt und in einem weiteren Schritt ausgehärtet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Auffüllen mit Flüssigpolymer eine Schlichte zuge­ geben wird.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem entfernten ausgehärteten Polymer und dem neu zugefügten Polymer um dasselbe Polymer handelt.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernte ausgehärtete Polymer und das neu hinzuge­ fügte Polymer eine unterschiedliche Zusammensetzung auf­ weisen.
21. Verfahren nach Anspruch 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer kalt ausgehärtet wird.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer warm ausgehärtet wird.
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