EP3475047A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundbauteils und ein verbundbauteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines verbundbauteils und ein verbundbauteil

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EP3475047A1
EP3475047A1 EP17729471.7A EP17729471A EP3475047A1 EP 3475047 A1 EP3475047 A1 EP 3475047A1 EP 17729471 A EP17729471 A EP 17729471A EP 3475047 A1 EP3475047 A1 EP 3475047A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fibers
polymeric matrix
joining partner
reinforcing fibers
joining
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17729471.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Niels FRIEDRICH-SCHILLING
Annett Klotzbach
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 Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3475047A1 publication Critical patent/EP3475047A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/68—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks
    • B29C70/74—Moulding material on a relatively small portion of the preformed part, e.g. outsert moulding
    • B29C70/745—Filling cavities in the preformed part
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C37/00—Component parts, details, accessories or auxiliary operations, not covered by group B29C33/00 or B29C35/00
    • B29C37/0078—Measures or configurations for obtaining anchoring effects in the contact areas between layers
    • B29C37/0082—Mechanical anchoring
    • B29C37/0085—Mechanical anchoring by means of openings in the layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/68—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks
    • B29C70/74—Moulding material on a relatively small portion of the preformed part, e.g. outsert moulding

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a composite component and a composite component, in which at least one first joining partner made of a metallic or ceramic material with a second joining partner of a fiber composite material formed with reinforcing fibers and a polymeric matrix (fiber-plastic composite: FKV) connected are.
  • a composite component may in this case have a plurality of joining partners made of metal and / or ceramic, which are connected to one or more joining partners, which is / are formed from fiber composite material formed with reinforcing fibers and a polymeric matrix.
  • load-optimized connection solutions are sought. Taking into account the lightweight construction, the use of continuous fiber reinforced plastics in particular continues to increase. These must often be material and non-positively connected with metallic or ceramic components and components.
  • Load-bearing element of the continuous fiber reinforced plastics are usually glass fibers, carbon fibers, aramid fibers or basalt fibers.
  • the aim of the invention is to produce a positive or positive connection between metal or ceramic and reinforcing fiber.
  • the bonding of metal or ceramic with fiber composite components is largely by mechanical joining techniques, such as screws, rivets or clinching.
  • the gluing or encapsulation of the joining partners is used.
  • This pure material connection is a high effort to operate in order to ensure a uniform adhesion / adhesion of the joining partners.
  • hybrid metal-FKV compounds and the metallic or ceramic joining partners are provided with a structuring to the boundary layer metal FKV a combination of material and
  • FKV continues to occur through the transition of polymeric matrix and load-bearing fibers (fiber-matrix adhesion).
  • the weak point of the compound is thus the polymeric matrix with the lowest strength values within the material composite.
  • the object of the invention is to provide composite components in which at least one first joining partner made of a metallic or ceramic material with a second joining partner of a fiber composite material formed with reinforcing fibers and a polymeric matrix are joined, which achieve increased strength and load capacity. According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1.
  • a composite component is defined by claim 9.
  • connecting fibers connecting fibers, filaments or wires (hereinafter referred to as connecting fibers) at a connection point or in a connection region through gaps which are present between reinforcing fibers, and openings which are formed in a first joining partner, be passed through a textile process.
  • connecting fibers connecting fibers, filaments or wires
  • a positive connection is formed.
  • no material forming the polymeric matrix is present during the formation of the positive connection with the connecting fibers, or no polymeric matrix is formed at least in the connection region.
  • viscous polymeric matrix material is injected or infiltrated into the junction region.
  • fibers of a polymeric material that form a fabric with the reinforcing fibers as a precursor may be converted to a polymeric matrix so that the tie fibers are embedded in the polymeric matrix.
  • reinforcing filaments or wires can be used instead of reinforcing fibers or additionally. In the following, however, predominantly only the term reinforcing fibers is to be used.
  • the connecting fibers such as the reinforcing fibers themselves, can be provided with a size in order to achieve better wettability in matrix infiltration and better adhesion to the matrix in the cured state.
  • the formation of the polymer matrix can be carried out in a molding tool in which the first joining partner and the second joining partner are arranged at least in the region of the connection point.
  • the polymeric matrix material with suitable viscosity in the mold with be injected with increased pressure and penetrate into cavities between the reinforcing and the connecting fibers and possibly in openings and existing cavities, so that all fibers are embedded in the polymeric matrix material after its solidification.
  • at least part of a metallic or ceramic joining partner to be bonded in a material-bonded manner to the polymeric matrix material.
  • the viscosity of the polymeric matrix material can be determined by suitable temperature, the addition of a solvent or the use of a two-component polymer, in which a component is a hardener or
  • Crosslinker is to be favorably influenced.
  • the polymeric matrix may be a thermoplastic, an elastomer or a thermosetting resin system.
  • Connecting fibers can pass through openings in at least one
  • a second joining partner may be a braid, knit or scrim of reinforcing fibers, which may preferably be continuous fibers.
  • a textile technology integration (sewing, weaving, embroidery, etc.) of threads, fibers or wires (glass, carbon, basalt, aramid, metal, ceramic) can be made in the textile composite.
  • Threads, fibers or wires can be used as connecting fibers and fix the reinforcing fibers with a metallic or ceramic joining partner. They should be able to produce such a positive or non-positive connection between the load-bearing reinforcing fibers and a metallic or ceramic joining partner.
  • a metallic or ceramic joining partner can be used, for example, as a sheet, plate, mesh, braid, foil or porous Be designed foam. In this joining partner perforations in particular holes, perforations or predefined open spaces may be present. For example, in the case of metal foils having a thickness of less than 100 ⁇ m, these can also be dispensed with if in each case a formation of an opening can be achieved when the connecting fibers are passed through.
  • openings can be used to carry out at least one connecting fiber.
  • these openings can for example be precisely controlled and / the connecting fiber (s) are passed and are wrapped on the bottom with a lower thread.
  • As a connecting fiber and several processed into a thread or twisted fibers can be used.
  • the hybrid joining to the metallic or ceramic joining partner can be effected by the connecting fiber (s) themselves or the metallic or ceramic joining partners connected by means of textile technology.
  • An additional optional connection between metallic joining partners can be made by welding, soldering and / or thermal joining with reactive multilayers.
  • the introduction of the connecting fibers takes place in the textile state before the injection / infiltration with the polymeric matrix material or before the consolidation of semi-finished textile products produced with hybrid yarn, which is formed with reinforcing fibers and polymeric fibers.
  • the polymeric matrix which forms part of the FKV can be used to at least partially form the polymeric matrix.
  • the formation of the polymeric matrix may also be achieved with polymeric material which is present in a form other than polymeric fibers in a FRP as a semi-finished product, for example in the form of a powder.
  • the polymeric matrix can be achieved by consolidation of a suitable matrix material.
  • the connecting fibers should advantageously be introduced at an angle of less than 90 ° in the layer structure of the FKV and continue to be particularly advantageous textile technology connected to the reinforcing fibers of the FKV in order to exploit the largest possible area for the introduction of force can.
  • a direct force transmission between metal / ceramic and reinforcing fibers can be made possible, which can achieve higher strengths than the polymeric matrix.
  • defects in the composite can be avoided.
  • the connecting fibers and, for example, a metallic film material can still take place in the textile technological state and the consolidation of the polymeric matrix material of the FRP is only subsequently realized, the polymeric material does not have to be remelted during the production of the composite component. It is also possible to combine thermosets with metals or ceramics in which a renewed remelting is actually not possible.
  • the composite components according to the invention can be used in particular in lightweight construction with a focus on automotive, aviation and energy technology.
  • FIG. 1 shows an example of a first joining partner
  • FIG. 2 shows the joining partner according to FIG. 1, which is arranged in a connection region of a second joining partner;
  • Figure 3 is a schematic sectional view through a part of a
  • FIG. 4 shows an example of a composite component according to the invention with four first joining partners according to FIG. 1, which are connected to a second joining partner.
  • FIG. 1 shows an example of a plate-shaped first joining partner 1 made of steel.
  • apertures 1.1 are arranged in five rows, formed in the joining partner 1.
  • the first joining partner 1 is positioned in relation to a second joining partner 4, which in this example is formed with carbon fibers as reinforcing fibers 2, such that the openings 1.1 are arranged with respect to a connection region.
  • the further openings 1.2 are positioned outside the outer edge of the second joining partner 4.
  • the first joining partner 1 can be enclosed in the connecting region on two sides with reinforcing fibers 2.
  • perforations 1.1 and spaces between reinforcing fibers 2 connecting fibers 3 are meandering passed in this example, whereby a positive connection of the two joining partners 1 and 4 can be achieved.
  • Reinforcing fibers 2 are arranged in this example in multiple layers and on two opposite sides of the first joining partner 1. Following this, at least in the connection region with a polymeric material, a matrix is formed in which the reinforcing fibers 2 and the connecting fibers 3 and the part of the first joining partner 1 are embedded, so that in addition a cohesive connection can be achieved.
  • connection region At least in the connection region, if a polymeric matrix is already embedded in the reinforcing fibers 2 in other regions of a second joining partner 4, application of a suitable polymeric material results in the formation of a matrix in which the reinforcing fibers 2, the connecting fibers 3 embedded and a first joint partner 1 of
  • Matrix material is bordered.
  • FIG. 4 shows an example of a composite component in which four first joining partners 1 according to FIG. 1 are connected to a second joining partner 4 made of FRP, and further openings 1.2 protrude beyond the outer edge of the second joining partner 4, so that they protrude for connection with egg - Another component can be used.
  • the textile consisting of continuous fibers individual layers of the reinforcing fibers 2 (scrim, fabric, knitted fabric) are piled according to the required material thickness to be achieved in a preform.
  • a composite component close to the final contour can be removed.
  • bores or openings 1.2 are then introduced for connecting the FKV joining partner with the metallic overall structure. These holes locally damage the fiber composite structure formed with the reinforcing fibers 2. It comes to delamination and the interruption of the power flow within the layer structure of the reinforcing fibers.
  • the metallic screw-on elements can be glued to the surface of the composite component. This purely cohesive connection does not allow optimized power transmission from the reinforcing fibers to the metallic structure.
  • metallic inserts can also be integrated during the injection or infiltration process of the polymeric matrix material. The polymer matrix material which has penetrated between the free spaces of the fiber composite then encloses the metal in the material bond and ensures the bonding strength.
  • a metal sheet for example, may have been perforated as the first joining partner 1 in the lateral edge region.
  • These prefabricated connections are integrated into the standard layer structure so that the unperforated sheet metal region of the first joining partner 1 can be arranged outside the actual component form or in the closing region of the molding tool.
  • the composite component is infiltrated in the mold, wherein both the fiber layers of the compound, the metal flange and the connecting fibers 3 and the unmodified fiber layers, which form the second joining partner 4 in addition to the reinforcing fibers 2, are enclosed.
  • the metal flanges as the first joining partner 1 can thus be connected to the fiber composite structure as the second joining partner 4, both as a material and as a positive fit.
  • the connecting fibers 3 should be oriented forcefully at an angle between 20 ° to 90 ° to the surface of a plane in the reinforcing fibers 2 of the second joining partner 4 made of FKV, through gaps between the reinforcing fibers 2 and / or through openings 1.1 are passed to a correspondingly favorable To achieve positive fit and to influence the power transmission over the gain and the connecting fibers 2 and 3 advantageous.
  • the connecting fibers 3 are in direct contact with the FKV's load-bearing reinforcing fibers 2 whereby the power line is directly between metal and load-bearing reinforcing fibers 2 without having to be conducted through the polymeric middle layer of the lower strength matrix material which reduces the hybrid linkable loads due to material.
  • a 2.5 shaped surface is present on a metallic first joining partner 1, to which first the dry reinforcing fibers 2 are fixed by welding.
  • first the dry reinforcing fibers 2 are fixed by welding.
  • the connection region within the permissible bending radius of the reinforcing fibers 2, the metal surface of the first joining partner. 1 replicate.
  • the fixation of the load-bearing reinforcing fibers 2 in the dry state initially takes place via the metallic connecting fibers 3.
  • the dry reinforcing fibers 2 can be infiltrated with duroplastic matrix material and joined to a further additional joining partner 4 made of FRP and the same thermoset matrix material.

Landscapes

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Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils werden mindestens ein erster Fügepartner aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner aus einem mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff miteinander verbunden. Verbindungsfasern sind in einem Verbindungsbereich durch Zwischenräume, die zwischen Verstärkungsfasern vorhanden. Außerdem werden Verbindungsfasern durch Durchbrechungen, die in einem ersten Fügepartner ausgebildet sind, mit einem textilen Verfahren hindurchgeführt. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung ausgebildet. Zumindest im Verbindungsbereich ist kein die polymere Matrix bildender Werkstoff vorhanden oder zumindest im Verbindungsbereich ist keine polymere Matrix ausgebildet. Im Anschluss daran wird viskoser polymerer Matrixwerkstoff in den Verbindungsbereich injiziert oder infiltriert oder die Fasern aus einem polymeren Werkstoff, die mit den Verstärkungsfasern ein textiles Gebilde bilden, zu einer polymeren Matrix werden mit einer Wärmebehandlung umgewandelt, so dass die Verbindungsfasern in die polymere Matrix eingebettet werden.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils und ein Verbundbauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein Verbundbauteil, bei dem mindestens ein erster Fügepartner aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner aus einem mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff (Faser-Kunststoff-Verbund: FKV) miteinander verbunden sind. Ein Verbundbauteil kann dabei mehrere Fügepartner aus Metall und/oder Keramik aufweisen, die mit einem oder mehreren Fügepartnerin), der/die aus mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff gebildet ist/sind, verbunden sind.
Im Rahmen hybrider Mischbauweisen, wie sie beispielsweise im Bereich des Automobilbaus als kraftschlüssige Verbindungen zwischen unterschiedlichen Materialkombinationen angewandt werden, werden belastungsoptimierte Verbindungslösungen gesucht. Unter Berücksichtigung des Leichtbaus nimmt der Einsatz insbesondere endlosfaserverstärkter Kunststoffe immer weiter zu. Diese müssen häufig mit metallischen oder keramischen Bauteilen und Komponenten stoff- und kraftschlüssig verbunden werden. Lasttragendes Element der endlosfaserverstärkten Kunststoffe sind üblicherweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder Basaltfasern. Ziel der Erfindung ist es, eine kraft- bzw. formschlüssige Verbindung zwischen Metall oder Keramik und Verstärkungsfaser zu erzeugen.
Das Verbinden von Metall oder Keramik mit Faserverbundbauteilen erfolgt größtenteils durch mechanische Verbindungstechniken, wie Schrauben, Nie- ten oder Clinchen. Außerdem kommt das Kleben oder Umspritzen der Fügepartner zum Einsatz. Durch diesen reinen Stoffschluss ist ein hoher Aufwand zu betreiben, um eine gleichmäßige Adhäsion / Haftung der Fügepartner zu gewährleisten. Neuerdings werden bei hybriden Metall-FKV Verbindungen auch die metallischen oder keramischen Fügepartner mit einer Strukturierung versehen, um an der Grenzschicht Metall-FKV eine Kombination aus Stoff- und
Formschluss zu realisieren. Beim thermischen Direktfügen werden diese Strukturen mit dem polymeren Bestandteil des FKV aufgefüllt und realisieren damit eine verbesserte Haftung. Damit ist es möglich, stoffschlüssige Verbindungen im Festigkeitsbereich des verwendeten polymeren Werkstoffs zu er- reichen. Die Kraftübertragung in die eigentlichen lasttragenden Fasern des
FKV erfolgt weiterhin durch den Übergang von polymerer Matrix und lasttragenden Fasern (Faser-Matrix-Haftung). Die Schwachstelle der Verbindung ist damit die polymere Matrix mit den geringsten Festigkeitswerten innerhalb des Materialverbundes.
Um eine direkte Krafteinleitung von Verstärkungsfaser mit dem Metall zu realisieren, gibt es einen Ansatz, Schlaufen aus Titan-Draht auf einem Werkstoff zu befestigen (Schweißen) und Kohlenstofffasern durch diese Schlaufen hindurchzuführen.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verbundbauteile zur Verfügung zu stellen, bei denen mindestens ein erster Fügepartner aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner aus einem mit Verstärkungsfasern und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff miteinander verbunden sind, die eine erhöhte Festigkeit und Belastbarkeit erreichen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ein Verbundbauteil ist mit Anspruch 9 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der Herstellung wird so vorgegangen, dass Verbindungsfasern, -fäden oder -drähte (nachfolgend nur noch Verbindungsfasern genannt) an einer Verbindungsstelle bzw. in einem Verbindungsbereich durch Zwischenräume, die zwischen Verstärkungsfasern vorhanden sind, und Durchbrechungen, die in einem ersten Fügepartner ausgebildet sind, mit einem textilen Verfahren hindurchgeführt werden. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung ausgebildet. Zumindest im Verbindungsbereich ist während der Ausbildung der formschlüssigen Verbindung mit den Verbindungsfasern kein die polymere Matrix bildender Werkstoff vorhanden oder es ist zumindest im Verbindungsbereich keine polymere Matrix ausgebildet.
Im Anschluss daran wird viskoser polymerer Matrixwerkstoff in den Verbindungsbereich injiziert oder infiltriert. Alternativ dazu können mit einer Wärmebehandlung Fasern aus einem polymeren Werkstoff, die mit den Verstärkungsfasern ein textiles Gebilde als Vorprodukt bilden, zu einer polymeren Matrix umgewandelt werden, so dass die Verbindungsfasern in die polymere Matrix eingebettet werden. Wie auch bei den Verbindungsfasern kann man anstelle von Verstärkungsfasern oder zusätzlich dazu auch Verstärkungsfäden oder -drähte einsetzen. Nachfolgend soll jedoch dafür überwiegend nur der Begriff Verstärkungsfasern genutzt werden.
Für eine verbesserte Materialhaftung und homogeneren Materialverlauf im Bereich des faserverstärkten Kunststoffes können die Verbindungsfasern, wie die Verstärkungsfasern selbst, mit einer Schlichte versehen werden, um eine bessere Benetzbarkeit bei der Matrixinfiltration und eine bessere Haftung zur Matrix im ausgehärteten Zustand zu erreichen.
Die Ausbildung der polymeren Matrix kann in einem Formwerkzeug, in dem der/die erste Fügepartner und der zweite Fügepartner zumindest im Bereich der Verbindungsstelle angeordnet sind, durchgeführt werden. Dabei kann der polymere Matrixwerkstoff mit geeigneter Viskosität in das Formwerkzeug mit erhöhtem Druck injiziert werden und in Hohlräume zwischen den Verstär- kungs- und den Verbindungsfasern sowie ggf. in Durchbrechungen und vorhandene Hohlräume eindringen, so dass sämtliche Fasern im polymeren Matrixwerkstoff nach dessen Erstarren eingebettet sind. Es kann auch zumindest ein Teil eines metallischen oder keramischen Fügepartners stoffschlüssig mit dem polymeren Matrixwerkstoff verbunden werden.
Anstelle des Injizierens von polymerem Matrixwerkstoff kann auch eine Infiltration erfolgen. Dabei sollte im Formwerkzeug ein gegenüber der Umgebung reduzierter Druck eingehalten werden.
Die Viskosität des polymeren Matrixwerkstoffs kann dabei durch geeignete Temperatur, den Zusatz eines Lösungsmittels oder den Einsatz eines Zweikomponentenpolymers, bei denen eine Komponente ein Härter oder
Vernetzer ist, vorteilhaft beeinflusst werden.
Die polymere Matrix kann ein Thermoplast, ein Elastomer oder ein auf Duromerbasis reagierendes Harzsystem sein. Verbindungsfasern können durch Durchbrechungen, die in mindestens einer
Reihe angeordnet sind, hindurch geführt werden. Günstiger ist es jedoch, Verbindungsfasern durch Durchbrechungen, die in mehreren Reihen und dabei auch noch versetzt zueinander angeordnet sind, hindurch zu führen. Ein zweiter Fügepartner kann ein Geflecht, Gewirk oder Gelege von Verstärkungsfasern sein, die bevorzugt Endlosfasern sein können.
Bei der Erfindung kann also eine textiltechnologische Integration (Nähen, Weben, Sticken usw.) von Fäden, Fasern oder Drähten (Glas, Kohlenstoff, Basalt, Aramid, Metall, Keramik) in den Textilverbund vorgenommen werden. Solche
Fäden, Fasern oder Drähte können als Verbindungsfasern verwendet und fixieren die Verstärkungsfasern mit einem metallischen oder keramischen Fügepartner. Sie sollen so eine form- bzw. kraftschlüssige Verbindung zwischen den lasttragenden Verstärkungsfasern und einem metallischen oder kerami- sehen Fügepartner herstellen können. Ein metallischer oder keramischer Fügepartner kann dabei z.B. als Blech, Platte, Netz, Geflecht, Folie oder poröser Schaum ausgelegt sein. In diesem Fügepartner können Durchbrechungen insbesondere Bohrungen, Perforationen oder vordefinierte Freiräume vorhanden sein. Beispielsweise bei Metallfolien mit einer Dicke unterhalb 100 μιη können diese auch entfallen, wenn bei dem Hindurchführen der Verbindungs- fasern jeweils eine Ausbildung einer Durchbrechung erreicht werden kann.
Diese Durchbrechungen können für eine Durchführung mindestens einen Verbindungsfaser genutzt werden. Bevorzugt mittels Stick- bzw. Nähtechnologie können diese Durchbrechungen beispielsweise genau angesteuert und der/die Verbindungsfaser(n) hindurchgeführt werden und auf der Unterseite mit einem Unterfaden umschlungen werden. Als Verbindungsfaser können auch mehrere zu einem Faden oder Zwirn verarbeitete Fasern eingesetzt werden.
Die Hybridfügung zum metallischen oder keramischen Fügepartner kann durch den/die Verbindungsfaser(n) selbst oder den mittels textiler Technologie verbundenen metallischen oder keramischen Fügepartner erfolgen. Eine zusätzliche optionale Verbindung zwischen metallischen Fügepartnern kann durch Schweißen, Löten und/oder thermisches Fügen mit Reaktivmultischichten erfolgen. Die Einbringung der Verbindungsfasern erfolgt im textilen Zustand vor der Injektion/Infiltration mit dem polymeren Matrixwerkstoff oder vor dem Konsolidieren von mit Hybridgarn hergestellten textilen Flächenhalbzeugen, das mit Verstärkungsfasern und polymeren Fasern gebildet ist. Durch die bereits erwähnte Wärmebehandlung kann mit den polymeren Fasern, die Bestandteil des FKV sind, die polymere Matrix zumindest teilweise ausgebildet werden. Die Ausbildung der polymeren Matrix kann auch mit polymerem Werkstoff, der in anderer Form als polymere Fasern in einem FKV als Halbzeug, beispielsweise in Form eines Pulvers vorhanden ist, erreicht werden. Die polymere Matrix kann durch eine Konsolidierung eines dazu geeigneten Matrixwerkstoffs erreicht werden.
Die Verbindungsfasern sollten dabei vorteilhafterweise unter einem Winkel kleiner 90° in den Lagenaufbau des FKV eingebracht werden und weiterhin besonders vorteilhaft mit den Verstärkungsfasern des FKV textiltechnologisch verbunden sein, um eine möglichst große Fläche zur Krafteinleitung ausnutzen zu können. Mit Hilfe der Verbindungsfasern kann eine direkte Kraftübertragung zwischen Metall/Keramik und Verstärkungsfasern ermöglicht werden, die höhere Festigkeiten als die polymere Matrix erreichen kann. Durch Verwendung desselben Fasermaterials als Verbindungsfasern, wie es auch als Verstärkungsfaser verwendet wird, können Störstellen im Verbund vermieden werden. Da die Integration der Verbindungsfasern und z.B. eines metallischen Folienwerkstoffes noch im textiltechnologischen Zustand erfolgen kann und die Konsolidierung des polymeren Matrixwerkstoffs des FKV erst anschließend realisiert wird, muss bei der Herstellung des Verbundbauteils der polymere Werkstoff nicht erneut aufgeschmolzen werden. Es können auch Duroplaste mit Metallen oder Keramiken verbunden werden, bei denen ein erneutes Umschmelzen eigentlich nicht möglich ist.
Die erfindungsgemäßen Verbundbauteile können insbesondere im Leichtbau mit Schwerpunkt Automobilbau, Luftfahrt und Energietechnik eingesetzt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigen:
Figur 1 ein Beispiel eines ersten Fügepartners;
Figur 2 den Fügepartner nach Figur 1, der in einem Verbindungsbereich eines zweiten Fügepartners angeordnet ist;
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teil eines
Beispiels eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils und
Figur 4 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils mit vier ersten Fügepartnern nach Figur 1, die mit einem zweiten Fügepartner verbunden sind.
In Figur 1 ist ein Beispiel eines plattenförmigen ersten Fügepartners 1 aus Stahl gezeigt. Dabei sind Durchbrechungen 1.1 in fünf Reihen angeordnet, im Fügepartner 1 ausgebildet. Außerdem sind drei weitere Durchbrechungen 1.2 im ersten Fügepartner 1 ausgebildet, die für eine weitere Verbindung oder andere Nutzung des fertigen Verbundbauteils genutzt werden können.
Bei der Herstellung des Verbundbauteils wird der erste Fügepartner 1 in Be- zug zu einem zweiten Fügepartner 4, der bei diesem Beispiel mit Kohlefasern als Verstärkungsfasern 2 gebildet ist, so positioniert, dass die Durchbrechungen 1.1 in Bezug zu einem Verbindungsbereich angeordnet sind. Die weiteren Durchbrechungen 1.2 sind dabei außerhalb des äußeren Randes des zweiten Fügepartners 4 positioniert.
Mit Figur 3 wird deutlich, dass der erste Fügepartner 1 im Verbindungsbereich an zwei Seiten mit Verstärkungsfasern 2 eingeschlossen sein kann. Durch die in mehreren Reihen angeordneten Durchbrechungen 1.1 und Zwischenräume zwischen Verstärkungsfasern 2 werden Verbindungsfasern 3 bei diesem Bei- spiel mäanderförmig hindurchgeführt, wodurch eine formschlüssige Verbindung der beiden Fügepartner 1 und 4 erreicht werden kann. Verstärkungsfasern 2 sind bei diesem Beispiel in mehreren Lagen und an zwei gegenüberliegenden Seiten des ersten Fügepartners 1 angeordnet. Im Anschluss daran wird zumindest im Verbindungsbereich mit einem poly- meren Werkstoff eine Matrix gebildet, in der die Verstärkungsfasern 2 und die Verbindungsfasern 3 und der Teil des ersten Fügepartners 1 eingebettet werden, so dass zusätzlich auch eine stoffschlüssige Verbindung erreicht werden kann.
Zumindest im Verbindungsbereich, wenn in anderen Bereichen eines zweiten Fügepartners 4 bereits eine polymere Matrix in der Verstärkungsfasern 2 eingebettet sind, vorhanden ist, erfolgt durch eine Applikation eines geeigneten polymeren Werkstoffs die Ausbildung einer Matrix, in der die Verstärkungsfa- sern 2, die Verbindungsfasern 3 eingebettet und ein erster Fügepartner 1 vom
Matrixwerkstoff eingefasst ist.
Die Figur 4 zeigt ein Beispiel eines Verbundbauteils bei dem vier erste Fügepartner 1 nach Figur 1 mit einem zweiten Fügepartner 4 aus FKV verbunden sind, und dabei weitere Durchbrechungen 1.2 über den äußeren Rand des zweiten Fügepartners 4 hinausragen, so dass sie für eine Verbindung mit ei- nem anderen Bauteil genutzt werden können.
Bei klassischer Injektions- und Presstechnik werden die textilen aus Endlosfasern bestehenden Einzellagen der Verstärkungsfasern 2 (Gelege, Gewebe, Gestricke) entsprechend der erforderlichen zu erzielenden Materialdicke in einer Preform aufgeschichtet. Durch Injizieren oder Infiltrieren eines die Matrix des FKV-Fügepartners 4 bildenden Polymers, anschließendes Verpressen und Aushärten kann ein endkonturnahes Verbundbauteil entnommen werden. Im Nachgang werden dann zum Verbinden des FKV-Fügepartners mit der metallischen Gesamtstruktur Bohrungen bzw. Durchbrechungen 1.2 eingebracht. Diese Bohrungen schädigen lokal die mit den Verstärkungsfasern 2 gebildete Faserverbundstruktur. Es kommt zu Delaminationen und das Unterbrechen des Kraftflusses innerhalb des Lagenaufbaus der Verstärkungsfasern. Dürfen keine Bohrungen und Durchbrechungen in die FKV- Struktur einge- bracht werden, so können die metallischen Anschraubelemente mit der Oberfläche des Verbundbauteils verklebt werden. Diese rein stoffschlüssige Verbindung ermöglicht keine optimierte Kraftübertragung von den Verstärkungsfasern zum metallischen Gesamtstruktur. Teilweise können auch metallische Inserts während des Injektions- oder Infiltrationsprozesses des polymeren Matrixwerkstoffs mit integriert werden. Das zwischen die Freiräume des Faserverbundes eingedrungene polymere Matrixmaterial umschließt dann das Metall im Stoffschluss und sorgt für die Verbindungsfestigkeit.
Mit der Erfindung kann neben dem Stoffschluss zwischen der polymeren Matrix und Metall/Keramik auch einen Formschluss über die vorzugsweise metallischen Verbindungsfasern 3 mit der Faserverbundstruktur des zweiten Fügepartners 4 erreicht werden.
Um metallische Montageflansche während des Injektions- /Infiltrationsprozesses z.B. einer FKV - Sitzstruktur als zweitem Fügepartner 4 zu integrieren, kann z.B. ein Metallblech als erster Fügepartner 1 im seitlichen Randbereich perforiert worden sein. Oberhalb und unterhalb des Perforati- onsbereiches werden einzelne Lagen, die mit Verstärkungsfasern 2 gebildet sind, durch Nähen mit Verbindungsfasern 3 ausreichender Festigkeit mit dem Metallflansch als erstem Fügepartner 1 fixiert (Figur 3). Diese vorkonfektionierten Verbindungen werden in den Standard-Lagenaufbau integriert, so dass der unperforierte Blechbereich des ersten Fügepartners 1 sich außerhalb der eigentlichen Bauteilform bzw. im Schließbereich des Formwerkzeuges angeordnet werden kann. Das Verbundbauteil wird im Formwerkzeug infiltriert, wobei sowohl die Faserlagen der Verbindung, der Metallflansch und die Verbindungsfasern 3 als auch die unmodifizierten Faserlagen, die neben den Verstärkungsfasern 2 den zweiten Fügepartner 4 bilden, umschlossen werden.
Die Metallflansche als erste Fügepartner 1 können somit sowohl Stoff- als auch formschlüssig mit der Faserverbundstruktur als zweitem Fügepartner 4 verbunden werden.
Eine beispielhafte Ausführung der Erfindung als Verbindung zwischen einem Metallwerkstück als erstem Fügepartner 1 mit unebener Oberflächentopographie und einem thermoplastischen faserverstärkten Kunststoff als zweitem Fügepartner 4 kann die Verbindung zwischen dem aus metallischem Werkstoff in Form einer metallischen Folie bzw. ein Blech als ein erster Fügepartner 1 hergestellt werden. Die Verbindungsfasern 3 sollten kraftgerecht in einem Winkel zwischen 20° bis 90° zur Oberfläche einer Ebene in der Verstärkungsfasern 2 des zweiten Fügepartners 4 aus FKV ausgerichtet sein, durch Zwischenräume der Verstärkungsfasern 2 und/oder durch Durchbrechungen 1.1 hindurch geführt werden, um einen entsprechend günstigen Formschluss zu erzielen und die Kraftübertragung über den Verstärkungs- und die Verbindungsfasern 2 und 3 vorteilhaft zu beeinflussen. Die Verbindungsfasern 3 sind im direkten Kontakt mit den lasttragenden Verstärkungsfasern 2 der FKV wodurch die Kraftleitung direkt zwischen Metall und lasttragenden Verstärkungsfasern 2 erfolgt ohne durch die polymere Mittlerschicht des Matrixwerkstoffs mit geringerer Festigkeit geleitet werden zu müssen, was die übertragbaren Lasten der Hybridverbindung materialbedingt reduziert.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine 2,5 geformte Oberfläche an einem metallischen ersten Fügepartner 1 vorhanden, an die zunächst die trockenen Verstärkungsfasern 2 durch Schweißen fixiert werden. Im trockenen Zustand kann der Verbindungsbereich im Rahmen des zulässigen Biegeradius der Verstärkungsfasern 2 die Metalloberfläche des ersten Fügepartners 1 nachbilden. Die Fixierung der lasttragenden Verstärkungsfasern 2 im trockenen Zustand erfolgt zunächst über die metallischen Verbindungsfasern 3. Abschließend können die trockenen Verstärkungsfasern 2 mit duroplastischem Matrixwerkstoff infiltriert und mit einem weiteren zusätzlichen Fügepartner 4 aus FKV und dem gleichen duroplastischen Matrixwerkstoff verbunden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, bei dem mindestens ein erster Fügepartner (1) aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner (4) aus einem mit Verstärkungsfasern (2) und einer polymeren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff miteinander verbunden sind, bei dem
Verbindungsfasern (3) in einem Verbindungsbereich durch Zwischenräume, die zwischen Verstärkungsfasern (2) vorhanden sind, und Durchbrechungen (1.1), die in einem ersten Fügepartner (1) ausgebildet sind, mit einem textilen Verfahren hindurchgeführt werden und dadurch eine formschlüssige Verbindung ausgebildet wird, wobei dabei zumindest im Verbindungsbereich kein die polymere Matrix bildender Werkstoff vorhanden ist oder zumindest im Verbindungsbereich keine polymere Matrix ausgebildet ist; und
im Anschluss daran viskoser polymerer Matrixwerkstoff in den Verbindungsbereich injiziert oder infiltriert wird oder
mit einer Wärmebehandlung Fasern aus einem polymeren Werkstoff, die mit den Verstärkungsfasern (2) ein textiles Gebilde bilden, zu einer polymeren Matrix umgewandelt werden, so dass
die Verbindungsfasern (3) in die polymere Matrix eingebettet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der polymeren Matrix in einem Formwerkzeug, in dem der/die erste Fügepartner (1) und der zweite Fügepartner (4) zumindest im Bereich der Verbindungsstelle angeordnet sind, durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfasern (3), die in mindestens einer Lage durch Stricken, Nähen, Weben, Sticken oder Flechten mit den Fügepartnern (1 und 4) verbunden werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungsfasern (2) und/oder die Verbindungsfasern, -fäden bzw. -drähte (3), die aus Glas, Kohlenstoff, Basalt, Aramid, Metall oder Keramik gebildet sind, eingesetzt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die polymere Matrix ein Thermoplast, ein Elastomer oder ein auf Duromerbasis reagierendes Harzsystem is r
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsfasern (3) durch Durchbrechungen (1.1), die in mindestens einer Reihe angeordnet sind, hindurch geführt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsfasern (3) durch Durchbrechungen (1.1), die in mehreren Reihen bevorzugt versetzt zueinander angeordnet sind, hindurch geführt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsfasern (3) in einem Winkel zwischen 20° bis 90° zur Oberfläche einer Ebene in der Verstärkungsfasern (2) eines zweiten Fügepartners (4) ausgerichtet sind, durch Zwischenräume der Verstärkungsfasern (2) und/oder durch Durchbrechungen (1.1) hindurch geführt werden.
9. Verbundbauteil bei dem mindestens ein erster Fügepartner (1) aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff mit einem zweiten Fügepartner (4) aus einem mit Verstärkungsfasern (2) und einer poly- meren Matrix gebildeten Faserverbundwerkstoff miteinander verbunden sind, und
dabei Verbindungsfasern (3) in einem Verbindungsbereich durch Zwischenräume, die zwischen Verstärkungsfasern (2) vorhanden sind, und Durchbrechungen (1.1), die in einem ersten Fügepartner (1) ausgebildet sind, hindurchgeführt sind, so dass eine formschlüssige Verbindung ausgebildet ist, und die Verstärkungsfasern (4) sowie die Verbindungsfasern (2) in eine polymere Matrix eingebettet sind.
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