EP2695687B1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils mit einer verbundstruktur - Google Patents

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EP2695687B1
EP2695687B1 EP13003884.7A EP13003884A EP2695687B1 EP 2695687 B1 EP2695687 B1 EP 2695687B1 EP 13003884 A EP13003884 A EP 13003884A EP 2695687 B1 EP2695687 B1 EP 2695687B1
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EP
European Patent Office
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covering
moulded part
metallic material
casting process
metal
Prior art date
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Active
Application number
EP13003884.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2695687A1 (de
Inventor
Christoph Pille
Franz-Josef Wöstmann
Jörg IHDE
Jan Clausen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Universitaet Bremen
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Universitaet Bremen
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Universitaet Bremen filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2695687A1 publication Critical patent/EP2695687A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2695687B1 publication Critical patent/EP2695687B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0081—Casting in, on, or around objects which form part of the product pretreatment of the insert, e.g. for enhancing the bonding between insert and surrounding cast metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/04—Casting in, on, or around objects which form part of the product for joining parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/10—Repairing defective or damaged objects by metal casting procedures

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a component having a composite structure of a fiber composite material and a metallic material, wherein introduced in a process alternative at least one molded part of the fiber composite material in a mold and cast at least a portion of the molded part in a casting process with the metallic material becomes.
  • the fiber composite material may be a fiber-reinforced plastic, in particular a carbon fiber reinforced plastic (CFRP), which is encapsulated with aluminum, for example.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • metallic structures By combining metallic structures with fiber-reinforced plastics, it is possible to produce lightweight and mechanically resilient composite materials. Such a combination of materials is also referred to as a hybrid or composite structure.
  • a combination of materials For the production of particularly light structures, the combination of the materials aluminum and CFRP, as well as modifications of these classes of materials such as, for example, aluminum alloys or other fiber-reinforced plastics such as glass fiber reinforced plastics (GRP).
  • GRP glass fiber reinforced plastics
  • other metals or metal alloys are available. This also applies to the method according to the invention.
  • connection between fiber composites and metal materials is in many cases by riveting or adhesive joints. Furthermore, it is, for example, from the DE 10 2009 048 709 A1 known to produce such a composite structure by a casting process.
  • a molded part is introduced from the fiber composite material in a mold and cast around with the molten metal.
  • the molten metal penetrates at least partially into the fiber composite material and envelops the fibers present there. This leads to a cohesive connection between the two materials.
  • this cohesive connection is made only in some surface areas of the molded part, wherein the other areas are covered with a thermal insulating layer to avoid damage to the fiber composite material by the high temperature of the molten metal during the casting process.
  • the DE 10 2010 050 970 A1 discloses a method for producing a component having a composite structure of a fiber composite material and a metallic material, in which at least the portion of the molded part which is encapsulated with the metallic material, before the casting process is provided with a sheath. We chose a thermally stable layer for the cladding.
  • the DE 102 05 958 A1 shows the use of a structured surface in the manufacture of a light metal component with a cast-in part.
  • the WO 2005/084852 A1 describes a structure of a composite component comprising a sheet metal structure and a light metal structure cast on this at least partially. To prevent a direct contact between the light metal structure and the sheet metal structure in a boundary region of the surface of the Sheet metal structure is arranged an electrical insulation layer in this boundary region.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a component having a composite structure of a fiber composite material and a metallic material, with which electrochemical corrosion can be avoided and which can be realized in a simple manner.
  • the proposed method for producing a component having a composite structure of a fiber composite material and a metallic material at least one molded part made from the fiber composite material is introduced into a casting mold and at least a portion of the molded part is cast in a casting process with the metallic material in a first alternative process.
  • the method is characterized in that at least the portion of the molded part, which is encapsulated with the metallic material, is surrounded prior to the casting process with an electrically insulating sheath, which prevents contact of the fiber composite material and the metallic material during and after the casting process and form - and or non-positively connected to the molding and the metal.
  • the envelope is selected from a material which at least partially softens or melts through the casting process and is provided as an independent component.
  • the electrically insulating sheath for the molded part is introduced into the casting mold and cast in a casting process with the metallic material.
  • the molded part is then connected to the electrically insulating sheath at a later time.
  • This can also be done by form and / or adhesion.
  • the molded part can be connected, for example by a thermal process, in particular in a casing which is at least partially made of a thermoplastic material, or also via an adhesive bond with the sheath.
  • the enclosure is of course dimensioned and potted with the metal that the molding can be used after the casting process in the enclosure and is isolated by the envelope of the metal.
  • the surface of the molding and / or the envelope is preferably provided with a macroscopic structure, which ensures the positive connection between the casing and the molding or between the cladding and metal.
  • the structure can already be produced during the production of the molded part and / or the cover or can also be subsequently introduced into the surface.
  • a CFRP is preferably used as a fiber composite material.
  • the metallic material is formed from the desired metal or metal alloy, preferably aluminum or an aluminum alloy.
  • the proposed method makes it possible to produce a positive and / or non-positive joining connection of a fiber composite material and a metal over the sheath, which also provides an electrical insulation to avoid electrochemical corrosion between the materials to be joined.
  • the coating hereinafter also referred to as inlay, acts as an electrochemical separating layer between the two materials. It also avoids the infiltration of the molten metal during the casting process in the fiber composite material and, with a suitable choice of material and at least partially compensate for influences of different thermal expansion of the two materials to be joined on the connection strength, as will be explained below.
  • CFK element produced on gauge gauge or a CFRP semi-finished product with the cladding serving as intermediate layer can be cast directly with molten metal.
  • the CFRP is enclosed by the enclosure by direct form and / or adhesion of the solidified metal and connected to this. In this way, both simple material composites and direct component component or semifinished product composites are produced.
  • the enclosure consists of an electrically non-conductive material, depending on the process variant, for example. From a thermoplastic polymer, a thermosetting polymer, a combination of thermoplastic and thermosetting polymer, a ceramic or a paint. Examples of suitable materials for the enclosure are PA (polyamide), PPS (polyphenylene sulfide), PC (polycarbonate), LCP (liquid crystal polymer), POM (polyoxymethylene), PEEK (polyetheretherketone), PI (polyimide) or PAI (polyamideimide).
  • PA polyamide
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PC polycarbonate
  • LCP liquid crystal polymer
  • POM polyoxymethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • PI polyimide
  • PAI polyamideimide
  • This independent component may be formed, for example, in the form of a sleeve, a dowel, preferably also with a corresponding corrugated surface structure, or even a socket as in a connector.
  • a casing which preferably also has a laterally projecting edge, as in the case of a dowel, can be handled easily, can be provided or produced in a simple manner with a suitable surface structuring, and can be used in the different process variants.
  • the envelope is chosen in the process of a material that in the subsequent contact with the molten metal is not thermally or at least not completely destroyed, so that the electrical insulation function is maintained even after the manufacture of the component.
  • the material of the enclosure may be thermally resistant upon contact with the molten metal in the second process variant so that the enclosure is not converted from the solid phase and not thermally damaged or destroyed, for example.
  • thermoset material or a ceramic when choosing a thermoset material or a ceramic.
  • the material may also be chosen in the second process variant or is chosen in the first process variant so that it is not thermally dimensionally stable, so that it is transferred or softened due to the heat energy from the molten metal from the solid to the liquid phase, if necessary Its shape (contour) can change, and is returned to the solid phase after cooling the molten metal, without losing its insulating material properties due to the thermal influence.
  • a thermoplastic material A combination of a thermoplastic material with a thermoset material is possible.
  • the thermoset material forms the inner core of the envelope which is externally surrounded by the thermoplastic material.
  • the material of the cladding when in contact with the molten metal, must have no effect on the quality of the molten and solidifying molten metal, preferably without causing outgassing or material residues which lead to porosities or defects in the metallic cast matrix.
  • the joint between the fiber composite material and the cladding and between the cladding and the metallic material is designed in an advantageous embodiment so that a positive connection between these components is produced.
  • the surface of the molded part is preferably modified by a rib, edge or wave structure, by undercuts, recesses or holes or combinations thereof.
  • a positive connection with the envelope or the inlay is achieved.
  • such structures can also be made in the inlay.
  • Such a structure or contour can also be laminated in advance in the fiber composite element by the fiber orientation of this element is carried out accordingly, so that the fibers for this production of the contour need not be destroyed.
  • undercuts in the fiber composite element see. Fig.
  • the fiber composite element 4 can be laid in accordance with the production of the fiber composite element, the fibers so that they need not be severed or damaged for the formation of undercuts.
  • the fiber composite element can also be subsequently machined mechanically to incorporate this contour. This can be done, for example, by drilling, milling, cutting or sawing.
  • the positive connection between the molded part and the envelope can be realized in the first alternative method before the casting process or arise only during the casting process. Due to the as a separate hollow body or made of a thermoplastic material, the positive connection can be made to the molded part in an occurring after insertion of the molded part in the enclosure thermal treatment step.
  • This thermal treatment step may, for example, by the high temperature during the casting process itself, by a heat treatment of the casting after the casting process or subsequently by local heating, for example by inductive heating, or in the context of z.
  • a frictional connection is additionally produced by solidification shrinkage of the envelope or of the inlay between the envelope or the inlay and the shaped part.
  • the sheath is preferably also provided with a macroscopic surface structure to the metallic material in order to achieve a positive connection with the metallic material.
  • the corresponding surface structure or contour can be carried out in the first alternative method during the completion of the composite of molded part and wrapping or subsequently by external processing.
  • the intermediate product of the molded part with the covering is finally inserted into a casting mold intended for metal casting, positioned and fixed.
  • the production of the positive connection between this composite and the metal by casting with molten metal, wherein the envelope does not affect the cast or structural quality of the potted metal.
  • the surrounding metal after completion of the joint connection on no direct and electrically conductive contact with the fiber composite material.
  • this frictional connection can optionally be intensified, regulated and defined by re-compaction, for example in a pressure casting process.
  • the connecting layer or the inlay is selected from a material whose thermal expansion coefficient lies between that of the fiber composite material and that of the metal used.
  • the component produced by the method accordingly consists of a composite structure of a fiber composite material and a metallic material and has at least one molded part of the fiber composite material, of which at least a portion is embedded in a matrix of the metallic material.
  • This section of the molded part is positively and / or non-positively surrounded with an electrically insulating sheath, which makes contact of the fiber composite material with the prevents metallic material.
  • the component has the corresponding materials and surface structures of the molded part and the cover.
  • Such components can be used in many technical fields, in which it depends on a lightweight and mechanically strong component. This concerns, for example, the areas of the automotive industry, aviation, rail vehicles, plant construction or wind turbines.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a molded part 1 made of a CFRP fiber laminate, in which the individual fibers 6 of this fiber composite material are indicated.
  • a fiber laminate with a macroscopically structured surface is provided or generated to produce a positive connection with the subsequent cladding, as shown by way of example in FIGS FIGS. 2 and 3 is shown.
  • FIG. 2 shows a correspondingly structured molded part 1, in which the structuring is achieved by introducing openings 4 or holes.
  • FIG. 3 shows a surface structure 5 of the molding 1, which is formed by grooves, notches and edges.
  • the fiber laminate is in this case formed or shaped according to the desired geometric shape of the molded part 1.
  • the macroscopic surface contour or Structure for the positive connection can be done either already during the manufacturing process of the molding 1 or subsequently by external machining.
  • this molded part 1 with the envelope three variants are exemplified below, of which only the variant with the thermoplastic material represents an embodiment of the proposed method.
  • a sheath 2 made of a thermosetting material is used.
  • This envelope is applied to the molded part 1.
  • FIG. 4 shows the enveloped by the envelope 2 molded part 1 in cross section, the structures 4 in this example FIG. 2 having. These structures 4 are completely filled by the envelope 2, so that a positive fixed connection with the molded part 1 is generated.
  • FIG. 5 shows a cross section along the axis A - A 'through the enveloped molding of the FIG. 4 .
  • a thermoset material can be used, for example, PI.
  • this coated molded part is inserted into a casting mold up to the laterally projecting edge of the envelope 2 and encapsulated with the metal. By solidification shrinkage and possibly additionally by re-compaction, a frictional connection between the metal 3 and casing 2 is produced.
  • the finished component is in FIG. 6 shown in cross section.
  • the casing 2 is additionally structured on the surface after application to the molded part 1, as described in US Pat FIG. 7 is recognizable.
  • the Enclosure 2 encased molding 1 shown in cross section, which in this example a combination of the structures 4, 5 of the FIGS. 2 and 3 having. These structures 4, 5 are completely filled by the sheath 2, so that a positive fixed connection with the molded part 1 is generated.
  • FIG. 8 shows a cross section along the axis A - A 'through the enveloped molding of the FIG. 7 , The subsequently cast metal 3 fills this contour according to the same principle, so that a tight fit is also produced between the casing 2 and the metal 3. This is in the cross-sectional view of FIG. 9 to recognize.
  • This positive connection can be combined due to solidification shrinkage and possibly additionally by re-compaction with a frictional connection.
  • the sheath 2 is selected from a thermoplastic material.
  • the application of this envelope can be done in the same manner as in the previous variant. This also applies to the connection with the metallic material.
  • the envelope is prefabricated separately in the form of a sleeve (inlay), a coating or a corresponding structure of a thermoplastic material.
  • This sleeve 2 or this hollow body is then pushed onto the molding 1 or set or attached, as in FIG. 12 shown schematically, and inserted together with the molding 1 in the casting mold for metal casting.
  • FIG. 13 shows the casting with the metallic melt 8 in the mold 7.
  • the positive or frictional connection is not in these figures detect.
  • FIG. 14 represents the finished component.
  • FIG. 10 shows a further example of such a sheath 2 in the form of a prefabricated sleeve 2, which is pushed over the molded part 1 and in which the molded part 1 is inserted. Again, the molding 1 on the surface again corresponding structures for positive engagement.
  • a positive connection between the casing 2 and the molded part 1 can be produced immediately after being pushed on. In the present example, however, the positive connection takes place only during the subsequent casting process.
  • the thermal energy of the molten metal heats the casing 2 and transfers it from the solid to the liquid phase.
  • the enclosure 2 can now fill the prepared in the molded part 1 for a positive connection with the molded part 1 contour. Possibly.
  • This process step can be supported by appropriate squeezer or post-compaction technology in metal casting.
  • the casing 2 solidifies again and assumes a positive connection with the molded part 1 as well as with the surrounding metal 3, depending on the given surface contour of the molded article 1 and if necessary, the envelope 2.
  • the corresponding manufactured component is in FIG. 11 shown in cross section.
  • FIGS. 15 to 17 show an example of a further variant of the proposed method.
  • a sleeve 2 made of thermoplastic Material prefabricated, placed on a mold 7 and encapsulated with the metallic melt 8, as in FIG. 15 indicated.
  • the molded part 1 is then inserted from the fiber laminate into the component obtained in this way (cf. FIG. 16 ).
  • a permanent connection between the sleeve 2 and molded part 1 is produced, here by, for example, inductive heating 9 of the connection zone.
  • FIG. 17 shown schematically. In this way, a component can be produced in which an electrical contact between the molded part 1 and the surrounding metal 3 is prevented by an electrically insulating layer.
  • the sheath can also at least partially compensate for the different coefficients of thermal expansion of the two composite materials, ie the fiber composite material and the metal, in order to enable a permanent joint connection even with strong temperature fluctuations.
  • the joint connection must withstand the different material expansion of the two materials with temperature changes.
  • the cladding can account for the differential thermal expansion in the following manner.
  • a compensation of the different thermal expansion of the two materials on the material properties of the envelope takes place.
  • the enclosure is chosen from a material that is specifically to the composite materials to be joined is adjusted and thus compensates for different thermal expansion material technically. In this case - but need not - the respective shape / adhesion between the CFRP and casing as well as between the casing and the metal remain unchanged when the temperature changes.
  • the compensation of the thermal expansion of the composite materials CFRP and metal then takes place due to the material only by the coating itself.
  • the compensation of the different thermal expansion on the structural design of the envelope takes place.
  • the envelope may be equalized in its thermal expansion of one of the two composite materials.
  • the compensation of material expansion with temperature change via a suitable structural shape in the joint, which maintains a positive and possibly non-positive connection between the fiber composite material and the cladding or between the cladding and the metal even if the respective composite materials expand differently ,
  • Such a shape may preferably be a self-interlocking toothing, which allows a spatial working of the material fronts.
  • a self-regulating compensation of the thermal expansions of the two materials involved, ie the fiber composite material and the metal takes place.
  • the properties of the different thermal expansion behavior of CFRP and aluminum are used. While with increasing temperature aluminum thermal expansion Depending on the alloy content of 20 to 24 * 10 -6 K -1 , this is between 0 and 0, 2 * 10 -6 K -1 for CFRP. Depending on the fiber direction, this can even become negative.
  • the cladding takes over the at least partial compensation of different thermal expansion coefficients of the composites CFRP and metal, both during the phase of composite production (casting) and during the use / operation phase of the component produced by the proposed method.
  • An advantage of the proposed method in the first alternative method is that the so far only consuming to be joined composites CFRP and metal can now be connected together in a manufacturing step (metal casting) directly in complex geometries, without causing a subsequent electrochemical corrosion.

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Description

    Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verbundstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff und einem metallischen Werkstoff, bei dem in einer Verfahrensalternative mindestens ein Formteil aus dem Faserverbundwerkstoff in eine Gießform eingebracht und wenigstens ein Abschnitt des Formteils in einem Gießprozess mit dem metallischen Werkstoff umgossen wird. Bei dem Faserverbundwerkstoff kann es sich um einen faserverstärkten Kunststoff handeln, insbesondere um einen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoff (CFK), der beispielsweise mit Aluminium umgossen wird.
  • Durch eine Verbindung metallischer Strukturen mit faserverstärkten Kunststoffen lassen sich leichte und zugleich mechanisch belastbare Werkstoffverbunde herstellen. Eine derartige Kombination von Werkstoffen wird auch als Hybrid- oder Verbundstruktur bezeichnet. Zur Herstellung besonders leichter Strukturen bietet sich die Verbindung der Werkstoffe Aluminium und CFK an, sowie Modifikationen dieser Werkstoffklassen wie bspw. Aluminiumlegierungen oder andersartig faserverstärkte Kunststoffe wie z.B. glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Weiterhin stehen auch andere Metalle bzw. Metalllegierungen zur Verfügung. Dies gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
    • Stand der Technik
  • Die Verbindung zwischen Faserverbundwerkstoffen und Metallwerkstoffen erfolgt in vielen Fällen durch Niet- oder Klebeverbindungen. Weiterhin ist es bspw. aus der DE 10 2009 048 709 A1 bekannt, eine derartige Verbundstruktur durch einen Gießprozess herzustellen. Hierbei wird ein Formteil aus dem Faserverbundwerkstoff in eine Gießform eingebracht und mit der Metallschmelze umgossen. Die Metallschmelze dringt dabei zumindest teilweise in den Faserverbundwerkstoff ein und umhüllt die dort vorhandenen Fasern. Dies führt zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen. In einer Ausgestaltung wird diese stoffschlüssige Verbindung lediglich in einigen Oberflächenbereichen des Formteils hergestellt, wobei die anderen Bereiche mit einer thermischen Isolierschicht bedeckt werden, um Beschädigungen des Faserverbundwerkstoffes durch die hohe Temperatur der Metallschmelze beim Gießprozess zu vermeiden.
  • Die bekannten Nietverbindungen sowie die oben beschriebene Verbindung auf Basis eines Gießprozesses führen zu einem elektrischen Kontakt zwischen den zu fügenden Werkstoffen. Gerade im Falle von CFK kann dies jedoch zu elektrochemisch induzierter Korrosion an den Verbindungsstellen führen. Da die Kohlenstofffasern elektrochemisch edler sind als bspw. Aluminium kann sich dieses daher bei Wechselwirkung mit einem Elektrolyten als korrosivem Medium an den Kontaktstellen zu den Kohlenstofffasern lokal auflösen, wodurch es zur Schädigung des Verbundes kommt. Das direkte Eingießen von Kohlenstofffasern kann auch zu einer Carbidbildung führen, die aus Festigkeits- und Korrosionsgründen unvorteilhaft ist.
  • Durch eine Klebeverbindung wird diese Problematik vermieden, da ein elektrisch isolierender Klebstoff eingesetzt werden kann, der zwischen den beiden Werkstoffen eine elektrisch isolierende Zwischenschicht bildet. Zur Erzielung einer ausreichend hohen Haltekraft der Verbindung zwischen dem Faserverbundwerkstoff und dem Metall ist jedoch eine Vorbehandlung oder zusätzliche Beschichtung des Metalls erforderlich, um langzeitstabile Klebeverbindungen zu erhalten.
  • Die DE 10 2010 050 970 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verbundstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff und einem metallischen Werkstoff, bei dem zumindest der Abschnitt des Formteils, der mit dem metallischen Werkstoff umgossen wird, vor dem Gießprozess mit einer Umhüllung versehen wird. Für die Umhüllung wir dabei eine thermisch stabile Schicht gewählt.
  • Die DE 102 05 958 A1 zeigt die Nutzung einer strukturierten Oberfläche bei der Herstellung eines Leichtmetallbauteils mit einem Eingussteil.
  • Die WO 2005/084852 A1 beschreibt einen Aufbau eines Verbundbauteils, das eine Blechstruktur und eine an dieser zumindest teilweise angegossene Leichtmetallstruktur umfasst. Zur Verhinderung eines direkten Kontaktes zwischen der Leichtmetallstruktur und der Blechstruktur in einem Grenzbereich der Oberfläche der Blechstruktur ist eine elektrische Isolationsschicht in diesem Grenzbereich angeordnet.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verbundstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff und einem metallischen Werkstoff bereitzustellen, mit dem elektrochemische Korrosion vermieden werden kann und das sich in einfacher Weise realisieren lässt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit den Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verbundstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff und einem metallischen Werkstoff wird in einer ersten Verfahrensalternative mindestens ein Formteil aus dem Faserverbundwerkstoff in eine Gießform eingebracht und wenigstens ein Abschnitt des Formteils in einem Gießprozess mit dem metallischen Werkstoff umgossen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest der Abschnitt des Formteils, der mit dem metallischen Werkstoff umgossen wird, vor dem Gießprozess mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung umgeben wird, die einen Kontakt des Faserverbundwerkstoffes und des metallischen Werkstoffes während und nach dem Gießprozess verhindert und form- und/oder kraftschlüssig mit dem Formteil und dem Metall verbunden wird. Die Umhüllung wird hierzu aus einem Material gewählt wird, das durch den Gießprozess zumindest zum Teil erweicht oder schmilzt, und als eigenständiges Bauteil bereitgestellt.
  • In einer zweiten Verfahrensalternative wird zunächst die elektrisch isolierende Umhüllung für das Formteil in die Gießform eingebracht und in einem Gießprozess mit dem metallischen Werkstoff umgossen. Das Formteil wird dann erst zu einem späteren Zeitpunkt mit der elektrisch isolierenden Umhüllung verbunden. Dies kann ebenfalls über Form- und/oder Kraftschluss erfolgen. So kann das Formteil beispielsweise durch einen thermischen Prozess, insbesondere bei einer Umhüllung, die zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet ist, oder auch über eine Klebeverbindung mit der Umhüllung verbunden werden. Die Umhüllung wird dabei selbstverständlich so dimensioniert und mit dem Metall vergossen, dass das Formteil nach dem Gießprozess in die Umhüllung eingesetzt werden kann und durch die Umhüllung vom Metall isoliert ist.
  • Die Oberfläche des Formteils und/oder der Umhüllung wird vorzugsweise mit einer makroskopischen Struktur versehen, die den Formschluss zwischen Umhüllung und Formteil bzw. zwischen Umhüllung und Metall gewährleistet. Die Struktur kann bereits bei der Herstellung des Formteils und/oder der Umhüllung erzeugt oder auch nachträglich in die Oberfläche eingebracht werden.
  • Als Faserverbundwerkstoff wird vorzugsweise ein CFK eingesetzt. Der metallische Werkstoff wird aus dem gewünschten Metall oder einer entsprechenden Metalllegierung gebildet, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht dabei die Herstellung einer form- und/oder kraftschlüssigen Fügeverbindung eines Faserverbundwerkstoffes und eines Metalls über die Umhüllung, die zugleich eine elektrische Isolation zur Vermeidung elektrochemischer Korrosion zwischen den zu fügenden Werkstoffen bietet. Die Umhüllung, im Folgenden auch als Inlay bezeichnet, wirkt dabei als elektrochemische Trennschicht zwischen den beiden Werkstoffen. Sie vermeidet auch das Infiltrieren der Metallschmelze während des Gießprozesses in den Faserverbundwerkstoff und kann bei geeigneter Materialwahl auch Einflüsse der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der beiden zu fügenden Werkstoffe auf die Verbindungsfestigkeit zumindest teilweise ausgleichen, wie weiter unten noch erläutert wird.
  • Durch die gießtechnische Herstellung der Bauteile kann mit geringem Fertigungs- und Materialaufwand eine endformnahe Geometrie des Bauteils aus der Verbundstruktur erhalten werden. So kann bspw. ein auf Endmaß gefertigtes CFK-Element oder ein CFK-Halbzeug mit der als Zwischenschicht dienenden Umhüllung direkt mit schmelzflüssigem Metall umgossen werden. Damit wird das CFK mit der Umhüllung durch direkten Form- und/oder Kraftschluss vom erstarrten Metall umschlossen und mit diesem verbunden. Auf diese Weise können sowohl einfache Materialverbunde als auch direkte Bauteil-Bauteil oder Bauteil-Halbzeug Verbunde hergestellt werden.
  • Die Umhüllung besteht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff, in Abhängigkeit von der Verfahrensvariante bspw. aus einem thermoplastischen Polymer, einem duroplastischen Polymer, einer Kombination aus thermoplastischem und duroplastischem Polymer, einer Keramik oder einem Lack. Beispiele für geeignete Materialien für die Umhüllung sind PA (Polyamid), PPS (Polyphenylensulfid), PC (Polycarbonat), LCP (Liquid Crystal Polymer), POM (Polyoxymethylen), PEEK (Polyetheretherketon), PI (Polyimid) oder PAI (Polyamidimid). Die Umhüllung wird als eigenständiges Bauteil hergestellt und anschließend auf das Formteil aufgesteckt bzw. das Formteil in dieses Bauteil eingesteckt. Bei der zweiten Verfahrensalternative wird dieses Bauteil ohne das Formteil in die Gießform eingesetzt. Dieses eigenständige Bauteil kann beispielsweise in Form einer Hülse, eines Dübels, vorzugsweise ebenfalls mit einer entsprechend geriffelten Oberflächenstruktur, oder auch einer Buchse wie bei einem Steckverbinder ausgebildet sein. Eine derartige Umhüllung, die vorzugsweise wie bei einem Dübel auch einen seitlich überstehenden Rand aufweist, lässt sich einfach handhaben, kann auf einfache Weise mit einer geeigneten Oberflächenstrukturierung versehen oder hergestellt werden und kann in den unterschiedlichen Verfahrensvarianten eingesetzt werden.
  • Die Umhüllung wird bei dem Verfahren aus einem Material gewählt, das bei dem anschließenden Kontakt mit der Metallschmelze thermisch nicht oder zumindest nicht vollständig zerstört wird, so dass die elektrische Isolationsfunktion auch nach der Herstellung des Bauteils aufrechterhalten wird. Das Material der Umhüllung kann bei Kontakt mit der Metallschmelze in der zweiten Verfahrensvariante thermisch so beständig sein, dass die Umhüllung nicht aus der Festphase umgewandelt und nicht thermisch beschädigt oder zerstört wird, bspw. bei Wahl eines duroplastischen Werkstoffes oder einer Keramik. Das Material kann in der zweiten Verfahrensvariante auch so gewählt sein bzw. wird in der ersten Verfahrensvariante so gewählt, dass es thermisch nicht formbeständig ist, so dass es aufgrund der Wärmeenergie aus der Metallschmelze von der Fest- in die Flüssigphase überführt oder erweicht wird, ggf. seine Formgebung (Kontur) verändern kann, und nach Abkühlen der Metallschmelze wieder in die Festphase zurückgeführt wird, ohne durch den thermischen Einfluss seine isolierenden Werkstoffeigenschaften zu verlieren. Ein Beispiel hierfür ist ein thermoplastischer Werkstoff. Auch eine Kombination eines thermoplastischen Materials mit einem duroplastischen Material ist möglich. Vorzugsweise bildet in diesem Fall das duroplastische Material den inneren Kern der Umhüllung, der außen von dem thermoplastischen Material umgeben ist. Das Material der Umhüllung darf unabhängig von den obigen Varianten bei Kontakt mit der Metallschmelze keine Auswirkungen auf die Qualität der schmelzflüssigen und erstarrenden Metallschmelze haben, vorzugsweise keine Ausgasungen oder Werkstoffrückstände bewirken, die zu Porositäten oder Fehlstellen in der metallischen Gussmatrix führen.
  • Die Fügestelle zwischen dem Faserverbundwerkstoff und der Umhüllung sowie zwischen der Umhüllung und dem metallischen Werkstoff wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung so ausgeführt, dass eine formschlüssige Verbindung zwischen diesen Bestandteilen hergestellt wird. Hierzu wird vorzugsweise die Oberfläche des Formteils durch eine Rippen-, Kanten- oder Wellenstruktur, durch Hinterschneidungen, Aussparungen oder Löcher oder Kombinationen hieraus modifiziert. Durch diese Strukturen wird ein Formschluss mit der Umhüllung bzw. dem Inlay erreicht. Alternativ oder zusätzlich können derartige Strukturen auch im Inlay vorgenommen werden. Eine derartige Struktur bzw. Kontur kann auch im Vorfeld in das Faserverbundelement einlaminiert werden, indem die Faserausrichtung dieses Elementes entsprechend ausgeführt wird, so dass die Fasern für diese Herstellung der Kontur nicht zerstört werden müssen. Zur Herstellung von Hinterschneidungen im Faserverbundelement (vgl. Fig. 4) können bei Herstellung des Faserverbundelementes die Fasern entsprechend gelegt werden, so dass sie für die Bildung der Hinterschneidungen nicht durchtrennt oder geschädigt werden müssen. Alternativ kann selbstverständlich das Faserverbundelement auch nachträglich mechanisch bearbeitet werden, um diese Kontur einzuarbeiten. Dies kann bspw. durch Bohren, Fräsen, Schneiden oder Sägen erfolgen.
  • Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Formteil und der Umhüllung kann in der ersten Verfahrensalternative bereits vor dem Gießprozess realisiert werden oder erst während des Gießprozesses entstehen. Aufgrund der als separater Hohlkörper bzw. eigenständiges Bauteil bereitgestellten Umhüllung, bspw. aus einem thermoplastischen Material, kann die formschlüssige Verbindung zum Formteil in einem nach dem Einstecken des Formteils in die Umhüllung erfolgenden thermischen Behandlungsschritt erfolgen. Dieser thermische Behandlungsschritt kann bspw. durch die hohe Temperatur beim Gießprozess selbst, durch eine Wärmebehandlung des Gussteils nach dem Gießprozess oder auch nachträglich durch lokale Erwärmung, z.B. durch induktives Erhitzen, oder im Rahmen z. B. eines Ofenprozesses erfolgen, wie er zur Lackhärtung z. B. im KTL-Ofen (KTL: kathodische Tauchlackierung) durchgeführt wird.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zusätzlich ein Kraftschluss durch Erstarrungsschrumpf der Umhüllung bzw. des Inlays zwischen der Umhüllung bzw. dem Inlay und dem Formteil erzeugt.
  • Die Umhüllung wird vorzugsweise ebenfalls mit einer makroskopischen Oberflächenstruktur zum metallischen Werkstoff hin versehen, um einen Formschluss mit dem metallischen Werkstoff zu erreichen. Die entsprechende Oberflächenstruktur bzw. Kontur kann bei der ersten Verfahrensalternative während der Fertigstellung des Verbundes aus Formteil und Umhüllung oder im Nachgang dazu durch äußere Bearbeitung erfolgen. Das Zwischenprodukt des Formteils mit der Umhüllung wird in diesem Fall schließlich in eine für den Metallguss vorgesehene Gießform eingelegt, positioniert und fixiert. Anschließend erfolgt die Herstellung des Formschlusses zwischen diesem Verbund und dem Metall durch Umgießen mit Metallschmelze, wobei die Umhüllung keine Auswirkung auf die Guss- oder Gefügequalität des vergossenen Metalls bewirkt. Das umgebende Metall weist nach Fertigstellung der Fügeverbindung keinen direkten und elektrisch leitenden Kontakt mit dem Faserverbundwerkstoff auf. Bei der Erstarrung der Metallschmelze entsteht Erstarrungsschrumpf, der zusätzlich einen Kraftschluss auf die Umhüllung und ggf. auch über die Umhüllung auf das Formelement bewirkt. Abhängig vom angewendeten Gießverfahren kann dieser Kraftschluss ggf. durch Nachverdichtung, z.B. im Druckgießverfahren, verstärkt, geregelt und definiert eingestellt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Verbindungsschicht bzw. das Inlay aus einem Material gewählt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient zwischen dem des Faserverbundwerkstoffes und dem des verwendeten Metalls liegt. Damit werden die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der beiden Werkstoffe an den Kontaktflächen auftretenden Kräfte durch die Umhüllung verringert, so dass die Dauerhaltbarkeit der Fügeverbindung bei wechselnden Temperaturbedingungen erhöht wird.
  • Das mit dem Verfahren hergestellte Bauteil besteht entsprechend aus einer Verbundstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff und einem metallischen Werkstoff und weist mindestens ein Formteil aus dem Faserverbundwerkstoff auf, von dem wenigstens ein Abschnitt in einer Matrix aus dem metallischen Werkstoff eingebettet ist. Dieser Abschnitt des Formteils ist dabei form- und/oder kraftschlüssig mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung umgeben, die einen Kontakt des Faserverbundwerkstoffes mit dem metallischen Werkstoff verhindert. Das Bauteil weist die entsprechenden Materialien und Oberflächenstrukturen des Formteils und der Umhüllung auf. Derartige Bauteile können in vielen technischen Bereichen eingesetzt werden, in denen es auf eine leichte und mechanisch belastbare Komponente ankommt. Dies betrifft bspw. die Bereiche der Automobilindustrie, der Luftfahrt, der Schienenfahrzeuge, des Anlagenbaus oder der Windkraftanlagen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Das vorgeschlagene Verfahren sowie das zugehörige Bauteil werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Faser-Laminates in Draufsicht;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Faser-Laminates mit einer Struktur gemäß einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines Faser-Laminates mit einer weiteren Struktur gemäß einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens;
    Fig. 4
    ein Beispiel für eine Verbindung des Faser-Laminates der Figur 2 mit einer duroplastischen Verbindungsschicht gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren;
    Fig. 5
    eine Querschnittsdarstellung des umhüllten Faser-Laminates entlang der Achse A - A' der Figur 4;
    Fig. 6
    das mit Metall umgossene Faser-Laminat der Figur 4;
    Fig. 7
    ein weiteres Beispiel für eine Verbindung eines strukturierten Faser-Laminates mit einer duroplastischen Verbindungsschicht gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren;
    Fig. 8
    eine Querschnittsdarstellung des umhüllten Faser-Laminates entlang der Achse A - A' der Figur 7;
    Fig. 9
    das mit Metall umgossene Faser-Laminat der Figur 7;
    Fig. 10
    ein Beispiel für eine Verbindung eines Faser-Laminates mit einer thermoplastischen oder teilelastischen Verbindungsschicht gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren;
    Fig. 11
    ein Beispiel für ein mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestelltes Bauteil in einer Querschnittsansicht;
    Fig. 12
    ein Beispiel für eine auf das Faser-Laminat als Umhüllung aufgesteckte Hülse;
    Fig. 13
    ein Beispiel für ein Umgießen des umhüllten Faser-Laminates der Figur 12 mit einer Metallschmelze;
    Fig. 14
    das mit Metall umgossene Faserlaminat der Figur 12:
    Fig. 15
    ein Beispiel das Umgießen einer auf eine Gussform aufgesteckten Hülse;
    Fig. 16
    ein Beispiel für das Einstecken eines Faser-Laminats in die umgossene Hülse der Figur 15;
    Fig. 17
    das mit Metall umgossene Faser-Laminat der aus Figur 16.
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Im Folgenden werden verschiedene Beispiele für die erfindungsgemäße Herstellung eines Bauteils aus einer Verbundstruktur aus einem CFK als Faserverbundwerkstoff und Aluminium als metallischem Werkstoff dargestellt. Es ist offensichtlich, dass sich diese Beispiele auch auf andere Faserverbundwerkstoffe und andere metallische Werkstoffe übertragen lassen.
  • Figur 1 zeigt hierzu eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Formteil 1 aus einem CFK Faser-Laminat, in der die einzelnen Fasern 6 dieses Faserverbundwerkstoffes angedeutet sind. Beim vorgeschlagenen Verfahren wird zur Erzeugung eines Formschlusses mit der späteren Umhüllung ein derartiges Faser-Laminat mit einer makroskopisch strukturierten Oberfläche bereitgestellt bzw. erzeugt, wie dies beispielhaft in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Figur 2 zeigt hierbei ein entsprechend strukturiertes Formteil 1, bei dem die Strukturierung durch Einbringen von Öffnungen 4 bzw. Löchern erreicht wird. Figur 3 zeigt eine Oberflächenstruktur 5 des Formteils 1, die durch Rillen, Kerben und Kanten gebildet ist. Das Faser-Laminat ist hierbei entsprechend der gewünschten geometrischen Form des Formteils 1 ausgebildet bzw. geformt. Die makroskopische Oberflächenkontur bzw. - struktur für den Formschluss kann entweder bereits beim Herstellungsprozess des Formteils 1 oder auch nachträglich durch äußere Bearbeitung erfolgen. Für die Verbindung dieses Formteils 1 mit der Umhüllung werden im Folgenden drei Varianten beispielhaft angeführt, von denen nur die Variante mit dem thermoplastischen Material eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens darstellt.
  • In einer ersten Variante wird eine Umhüllung 2 aus einem duroplastischen Material eingesetzt. Diese Umhüllung wird auf das Formteil 1 aufgebracht. Figur 4 zeigt das von der Umhüllung 2 umhüllte Formteil 1 im Querschnitt, das in diesem Beispiel die Strukturen 4 aus Figur 2 aufweist. Diese Strukturen 4 werden von der Umhüllung 2 vollständig ausgefüllt, so dass eine formschlüssige feste Verbindung mit dem Formteil 1 erzeugt wird. Figur 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Achse A - A' durch das umhüllte Formteil der Figur 4. Als duroplastisches Material kann bspw. PI eingesetzt werden. Anschließend wird dieses umhüllte Formteil bis zum seitlich überstehenden Rand der Umhüllung 2 in eine Gussform eingesetzt und mit dem Metall umgossen. Durch Erstarrungsschrumpf und ggf. zusätzlich durch Nachverdichtung wird ein Kraftschluss zwischen Metall 3 und Umhüllung 2 hergestellt. Das fertige Bauteil ist in Figur 6 im Querschnitt dargestellt.
  • In einem weiteren Beispiel wird die Umhüllung 2 nach dem Aufbringen auf das Formteil 1 zusätzlich an der Oberfläche strukturiert, wie dies in Figur 7 erkennbar ist. In dieser Figur ist das von der Umhüllung 2 umhüllte Formteil 1 im Querschnitt dargestellt, das in diesem Beispiel eine Kombination der Strukturen 4, 5 aus den Figuren 2 und 3 aufweist. Diese Strukturen 4, 5 werden von der Umhüllung 2 vollständig ausgefüllt, so dass eine formschlüssige feste Verbindung mit dem Formteil 1 erzeugt wird. Figur 8 zeigt einen Querschnitt entlang der Achse A - A' durch das umhüllte Formteil der Figur 7. Das anschließend umgossene Metall 3 füllt diese Kontur nach dem gleichen Prinzip aus, so dass ein fester Formschluss auch zwischen der Umhüllung 2 und dem Metall 3 hergestellt wird. Dies ist in der Querschnittsansicht der Figur 9 zu erkennen. Dieser Formschluss kann aufgrund Erstarrungsschrumpf und ggf. zusätzlich durch Nachverdichtung mit einem Kraftschluss kombiniert werden.
  • In einer weiteren Variante wird die Umhüllung 2 aus einem thermoplastischen Material gewählt. Das Aufbringen dieser Umhüllung kann in gleicher Weise wie bei der vorangehenden Variante erfolgen. Dies gilt auch für die Verbindung mit dem metallischen Material.
  • Die Umhüllung wird in Form einer Hülse (Inlay), eines Überzugs oder einer entsprechenden Struktur aus einem thermoplastischen Werkstoff separat vorgefertigt. Diese Hülse 2 bzw. dieser Hohlkörper wird anschließend auf das Formteil 1 aufgeschoben oder auf- bzw. angesetzt, wie in Figur 12 schematisch dargestellt, und gemeinsam mit dem Formteil 1 in das Gießwerkzeug für den Metallguss eingelegt. Figur 13 zeigt das Vergießen mit der metallischen Schmelze 8 in der Gussform 7. Der Form- oder Kraftschluss ist in diesen Figuren nicht zu erkennen. Figur 14 stellt das fertige Bauteil dar. Figur 10 zeigt ein weiteres Beispiel für eine derartige Umhüllung 2 in Form einer vorgefertigten Hülse 2, die über das Formteil 1 geschoben ist bzw. in die das Formteil 1 eingesetzt ist. Auch hier weist das Formteil 1 an der Oberfläche wieder entsprechende Strukturen für den Formschluss auf. Bei geeigneter elastischer oder teilelastischer Ausführung der Umhüllung 2 kann hierbei gleich nach dem Aufschieben ein Formschluss zwischen Umhüllung 2 und Formteil 1 hergestellt werden. Im vorliegenden Beispiel erfolgt die formschlüssige Verbindung jedoch erst während des anschließenden Gießprozesses. In diesem Prozessschritt des Umgießens mit dem Metall erwärmt die Wärmeenergie der Metallschmelze die Umhüllung 2 und führt diese aus der Festin die Flüssigphase über. Somit kann die Umhüllung 2 nun die für einen Formschluss mit dem Formteil 1 vorgearbeitete Kontur im Formteil 1 ausfüllen. Ggf. kann dieser Prozessschritt durch entsprechende Squeezer- oder Nachverdichtungstechnik im Metallguss unterstützt werden. Sobald die Wärmeenergie der erstarrenden Metallschmelze abnimmt und die Temperatur der thermoplastischen Umhüllung unter Liquidus abfällt, erstarrt auch die Umhüllung 2 wieder und nimmt sowohl einen Formschluss mit dem Formteil 1 als auch mit dem umgebenden Metall 3 ein, abhängig von der vorgegebenen Oberflächenkontur des Formteils 1 und ggf. der Umhüllung 2. Das entsprechend hergestellte Bauteil ist in Figur 11 im Querschnitt dargestellt.
  • Die Figuren 15 bis 17 zeigen ein Beispiel für eine weitere Variante des vorgeschlagenen Verfahrens. In diesem Beispiel wird eine Hülse 2 aus thermoplastischem Material vorgefertigt, auf eine Gussform 7 gesteckt und mit der metallischen Schmelze 8 umgossen, wie in Figur 15 angedeutet. In das dadurch erhaltene Bauteil wird anschließend das Formteil 1 aus dem Faserlaminat eingesteckt (vgl. Figur 16). Im nächsten Verfahrensschritt wird eine dauerhafte Verbindung zwischen Hülse 2 und Formteil 1 hergestellt, hier durch beispielsweise induktive Erwärmung 9 der Verbindungszone. Dies ist in der Figur 17 schematisch dargestellt. Auch auf diese Weise lässt sich ein Bauteil herstellen, bei dem ein elektrischer Kontakt zwischen dem Formteil 1 und dem umgebenden Metall 3 durch eine elektrisch isolierende Schicht verhindert wird. Auch bei dieser Verfahrensvariante kann bei Bedarf ein Form- oder Kraftschluss zwischen Hülse und Metall und/oder zwischen Hülse un Formteil in gleicher oder ähnlicher Weise erfolgen wie in Verbindung mit den anderen Ausführungsbeispielen bereits erläutert.
  • Die Umhüllung kann auch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Verbundwerkstoffe, d.h. des Faserverbundwerkstoffes sowie des Metalls zumindest teilweise ausgleichen, um eine dauerhafte Fügeverbindung auch bei starken Temperaturschwankungen zu ermöglichen. Die Fügeverbindung muss der unterschiedlichen Materialausdehnung der beiden Werkstoffe bei Temperaturänderungen standhalten. Die Umhüllung kann die unterschiedliche Wärmeausdehnung in folgender Weise berücksichtigen. In einer ersten Ausgestaltung erfolgt ein Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der beiden Werkstoffe über die Werkstoffeigenschaften der Umhüllung. Die Umhüllung wird dabei aus einem Werkstoff gewählt, der speziell an die zu fügenden Verbundmaterialien angepasst ist und somit unterschiedliche Wärmeausdehnung werkstofftechnisch ausgleicht. Dabei kann - muss aber nicht - der jeweilige Form-/Kraftschluss zwischen CFK und Umhüllung sowie zwischen Umhüllung und Metall bei Temperaturänderung unverändert bleiben. Der Ausgleich der Wärmeausdehnung der Verbundmaterialien CFK und Metall erfolgt dann werkstoffbedingt ausschließlich durch die Umhüllung selbst.
  • In einer anderen Variante erfolgt der Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnung über die konstruktive Ausgestaltung der Umhüllung. Die Umhüllung kann hierbei in ihrer Wärmeausdehnung an einen der beiden Verbundmaterialien angeglichen sein. Der Ausgleich von Materialausdehnung bei Temperaturänderung erfolgt über eine geeignete konstruktive Formgebung in der Fügestelle, die eine form- und ggf. kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Faserverbundwerkstoff und der Umhüllung oder zwischen der Umhüllung und dem Metall auch dann aufrecht erhält, wenn sich die jeweiligen Verbundmaterialien unterschiedlich ausdehnen. Eine derartige Formgebung kann vorzugsweise eine in sich verschiebende Verzahnung sein, die ein räumliches Arbeiten der Werkstofffronten erlaubt.
  • In einer weiteren Variante erfolgt ein selbstregulierender Ausgleich der Wärmeausdehnungen der beiden beteiligten Werkstoffe, d.h. des Faserverbundwerkstoffes sowie des Metalls. Hierbei werden die Eigenschaften des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens von CFK und Aluminium genutzt. Während bei steigender Temperatur Aluminium eine Wärmeausdehnung legierungsabhängig von 20 bis 24*10-6 K-1 aufweist, liegt diese bei CFK zwischen 0 und 0, 2*10-6 K-1. Abhängig von der Faserrichtung kann dieser sogar negativ werden.
  • Dabei wird von der Umhüllung der zumindest teilweise Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Verbundwerkstoffe CFK und Metall übernommen, sowohl während der Phase der Verbundherstellung (Gießen), als auch während der Nutzungs-/Betriebsphase des Bauteils, das mit dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt wurde.
  • Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens in der ersten Verfahrensalternative besteht darin, dass die bislang nur aufwendig zu fügenden Verbundwerkstoffe CFK und Metall nun in einem Fertigungsschritt (Metallguss) direkt in komplexen Geometrien miteinander verbunden werden können, ohne eine spätere elektrochemische Korrosion zu verursachen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Formteil
    2
    Umhüllung oder Hülse
    3
    Metall
    4
    Öffnungen
    5
    Oberflächenstruktur
    6
    Fasern
    7
    Gussform
    8
    Metallschmelze
    9
    Lokale Erwärmung (z.B. durch Induktion) der Verbindungszone

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verbundstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff und einem metallischen Werkstoff (3), bei dem mindestens ein Formteil (1) aus dem Faserverbundwerkstoff in eine Gießform (7) eingebracht und wenigstens ein Abschnitt des Formteils (1) in einem Gießprozess mit dem metallischen Werkstoff (3) umgossen wird,
    wobei zumindest der Abschnitt des Formteils (1), der mit dem metallischen Werkstoff (3) umgossen wird, vor dem Gießprozess mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung (2) versehen wird, die einen Kontakt des Faserverbundwerkstoffes mit dem metallischen Werkstoff (3) verhindert und form- und/oder kraftschlüssig mit dem Formteil (1) und dem metallischen Werkstoff (3) verbunden wird, wobei die Umhüllung (2) aus einem Material gewählt wird, das durch den Gießprozess zumindest zum Teil erweicht oder schmilzt, und als eigenständiges Bauteil bereitgestellt wird.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verbundstruktur aus einem Faserverbundwerkstoff und einem metallischen Werkstoff (3), bei dem wenigstens ein Abschnitt eines Formteils (1) aus dem Faserverbundwerkstoff mit einem metallischen Werkstoff (3) verbunden wird,
    wobei eine elektrisch isolierende Umhüllung (2) als eigenständiges Bauteil zumindest für den Abschnitt des Formteils (1) bereitgestellt wird, die einen Kontakt des Formteils (1) mit dem metallischen Werkstoff (3) verhindert, die elektrisch isolierende Umhüllung (2) in eine Gießform (7) eingebracht und in einem Gießprozess mit dem metallischen Werkstoff (3) umgossen wird, und wobei das Formteil (1) aus dem Faserverbundwerkstoff nach dem Gießprozess mit der elektrisch isolierenden Umhüllung (2) verbunden wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die form- und/oder kraftschlüssige Verbindung der Umhüllung (2) mit dem Formteil (1) durch den Gießprozess herbeigeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die kraftschlüssige Verbindung der Umhüllung (2) mit dem Formteil (1) durch Nachverdichtung im Gießprozess verstärkt und/oder geregelt und/oder definiert eingestellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Umhüllung (2) während oder nach der Verbindung mit dem Formteil durch thermische Einwirkung zumindest zum Teil zeitweise erweicht oder geschmolzen wird, um eine formschlüssige Verbindung mit dem Formteil (1) zu erhalten.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Formteil (1) in die Umhüllung (2) eingesteckt oder die Umhüllung (2) auf das Formteil (1) aufgesteckt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Formteil (1) vor der Umhüllung mit einer makroskopischen Oberflächenstruktur (4, 5) versehen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Oberflächenstruktur (3, 4) des Formteils (1) eine Struktur aus Rippen oder Kanten oder Wellen oder eine Struktur mit Hinterschneidungen oder Aussparungen oder Löchern oder eine Struktur mit beliebigen Kombinationen dieser Strukturelemente gewählt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Umhüllung (2) an ihrer mit dem metallischen Werkstoff (3) in Kontakt kommenden Oberfläche mit einer Oberflächenstruktur versehen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Oberflächenstruktur der Umhüllung (2) eine Struktur aus Rippen oder Kanten oder Wellen oder eine Struktur mit Hinterschneidungen oder Vertiefungen oder eine Struktur mit beliebigen Kombinationen dieser Strukturelemente gewählt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Umhüllung (2) zumindest teilweise aus einem thermoplastischen Material gewählt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Umhüllung (2) so dimensioniert wird, dass sie sich in dem Bauteil über den Abschnitt des Formteils (1) hinaus erstreckt, der von dem metallischen Werkstoff (3) umgeben ist.
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