WO2020109130A1 - Verfahren zum bearbeiten von faserverbundbauteilen und faserverbundbauteil - Google Patents

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WO2020109130A1
WO2020109130A1 PCT/EP2019/082084 EP2019082084W WO2020109130A1 WO 2020109130 A1 WO2020109130 A1 WO 2020109130A1 EP 2019082084 W EP2019082084 W EP 2019082084W WO 2020109130 A1 WO2020109130 A1 WO 2020109130A1
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WO
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fibers
matrix
fiber
exposed
fiber composite
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Application number
PCT/EP2019/082084
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English (en)
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Inventor
Dieter Lechner
Original Assignee
ThyssenKrupp Federn und Stabilisatoren GmbH
Thyssenkrupp Ag
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Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Federn und Stabilisatoren GmbH, Thyssenkrupp Ag filed Critical ThyssenKrupp Federn und Stabilisatoren GmbH
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced

Definitions

  • the invention relates to a method for processing fiber composite components with fibers embedded in a matrix according to the preamble of
  • Claim 1 The invention further relates to a fiber composite component.
  • springs in particular coil springs or torsion bar springs, can be made of
  • Fiber composite materials are manufactured.
  • Such additional components are formed, for example, from plastic, fiber composite materials or elastomers.
  • connection methods such as. B. the gluing of the components, do not offer a permanent positive connection between the spring and the associated attachments. After the corresponding connection has become tired, there are often relative movements between the components, which can lead to damage to the contact surfaces. It is also known that
  • Dirt particles and / or liquids can penetrate into the gap between a spring and an associated attachment. This leads to an abrasive or corrosive removal of the components. Abrasive or corrosive phenomena, in particular in the case of components which are formed from fiber composite plastics or plastics, can lead to early failures of the components.
  • the invention is based on the idea of specifying a method for processing fiber composite components with fibers embedded in a matrix, the method comprising the following method steps: a) providing a fiber composite component with a matrix and fibers,
  • the fiber composite component has a connecting section for attaching at least one further component; b) at least section-wise removal of the matrix in the connection section and at least section-wise, in particular the fibers not
  • the method according to the invention is initially based in step a) on fiber composite components provided, which are formed from a fiber composite material with fibers embedded in a matrix.
  • the fiber composite components can be springs, for example.
  • the springs can consist of a group of coil springs, in particular
  • Bending springs particularly preferably spiral springs, twisted torsion springs or torsion bar springs, in particular stabilizers and combinations thereof, can be selected.
  • the fiber composite component is formed from a fiber composite material.
  • the fiber composite material can in particular be carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Furthermore, it can
  • Fiber composite material is glass fiber reinforced plastic (GRP).
  • the fiber composite material can be formed from mineral or organic fibers and a resinous base material. Furthermore, it is possible that the fiber composite material is based on a mixed material with glass and carbon fiber layers.
  • the matrix of the fiber composite material of the fiber composite component can be formed from thermoplastic and / or elastomer and / or duroplastic. In a particularly preferred embodiment of the invention, the matrix consists of epoxy resin.
  • the mineral or organic fibers are preferably formed in sections.
  • the fibers are particularly preferably carbon fibers and / or glass fibers.
  • the fibers can be short fibers and / or long fibers and / or continuous fibers.
  • the at least one further component can, for example, be an add-on part of a spring assembly.
  • This can be, for example, a spring plate or a spring pad or a bearing element.
  • the at least one further component can be made of plastic and / or a
  • Fiber composite and / or metal can be formed.
  • the further component is made of plastic, in particular of a thermoplastic and / or an elastomer and / or a thermoset.
  • step b) the matrix is removed at least in sections in the connecting section.
  • the connecting section is the section of the
  • Fiber composite component to which the at least one further component is attached.
  • a connection between the fiber composite component and the at least one further component is established in the connecting section of the fiber composite component.
  • the fiber composite component prefferably has a plurality of connecting sections. Several attachments can be connected to the fiber composite component.
  • the at least one connecting section is preferably designed as a delimited contact surface, with a component to be connected to it
  • Contact surface is brought into contact or is in contact.
  • the matrix in the connecting section is removed in such a way that fibers of the
  • connection section are exposed.
  • the fibers are exposed in such a way that they are not destroyed.
  • the fibers are exposed in step b) without destruction.
  • only the matrix material of the fiber composite material is removed, so that the fibers are neither cut through nor damaged in any other way.
  • the further component can be attached to this connecting section, which comprises fibers exposed after step b), for example by means of an original molding process.
  • Fiber composite material is formed in the for connection with
  • Edge layer areas remove the matrix material with suitable means so that the fibers are exposed undamaged.
  • At least one further component can be attached to the fibers thus exposed, in particular to the fiber structure exposed in this way, by primary shaping from the liquid phase, so that the still liquid material of the at least one further component encloses the exposed fibers.
  • the material of the further component then hardens, so that a positive connection between the fiber composite component and the
  • At least one other component is created.
  • Composite component can therefore be part of another
  • At least one other component is prevented.
  • no dirt particles and / or liquids can get between the components, i.e. get between the fiber composite component and the at least one further component.
  • step b a gas flow is applied to the area to be processed, i.e. directed towards the connecting section so that exposed fibers are pushed aside by the pressure of the gas flow.
  • underlying layers of material can be exposed.
  • step b) namely when the matrix is removed in sections, a laser is preferably used.
  • the removal of the matrix in sections is preferably carried out by means of a laser, in particular by means of a
  • Laser pulses with a duration of ⁇ 20 ps are preferred
  • Lasers with a wavelength of up to 1,064 nm are preferably used.
  • a laser is based on using such a laser with an average power of up to 400 W (watts), in particular up to 100 W, particularly preferably with a power of 30-80 W.
  • the repetition rate of the laser beams to be applied to the matrix can be up to 1 MHz (megahertz).
  • the preferred use of a laser, in particular an ultrashort pulse laser, has the advantage that the matrix material can be processed and / or removed in a location- and depth-selective manner.
  • the connecting section allows exposed fibers to be pushed aside by the pressure of the gas flow, so that underlying material layers are exposed.
  • the laser beam can also reach deeper layers of material, since it is no longer hindered by fibers of an upper fiber layer that have already been exposed.
  • the laser beam itself is not affected by the gas flow.
  • the gas stream can be an air stream and / or an oxygen stream and / or a carbon dioxide stream and / or a stream of inert gas.
  • the gas stream is preferably directed onto the connecting section with a relative pressure of at least 0.5 bar.
  • the relative pressure refers to the ambient pressure.
  • the ambient pressure can be, for example, the atmospheric air pressure.
  • the relative pressure is an overpressure of at least 0.5 bar compared to that
  • the matrix is preferably removed to such a depth that at least one fiber of a near-surface fiber layer is completely exposed with respect to the fiber cross section.
  • a near-surface fiber layer is defined below in such a way that it is the outermost fiber layer of the
  • Fiber composite material of the fiber composite component relates. When the matrix is removed, this fiber layer is the first exposed fiber layer.
  • a fiber layer can comprise several fibers woven together. Furthermore, it is possible for a fiber layer to comprise unidirectional fiber bundles or to consist of unidirectional fiber bundles.
  • a fiber layer can be, for example, a mat or a fabric or a scrim or a mesh or a tangled fiber mat or a nonwoven or a 3D fabric or a 2D fabric or a knitted fabric.
  • the matrix is removed or removed to such a depth that at least one fiber of a near-surface fiber layer, in particular a section of a surface fiber layer, is completely exposed from the matrix.
  • a first uncovered fiber layer or first uncovered fibers are preferably pushed away from the remaining matrix due to the gas flow, so that further fibers or further fiber layers can be uncovered by the matrix.
  • the further component can then be attached to the connecting section by means of an original molding process.
  • the primary molding process can in particular be a spraying process or a casting process or a
  • Connection section can be applied so that exposed fibers / exposed fiber layers of the liquid material and
  • step c) a connecting element is produced by means of the master molding process, which connects the further component with the
  • Fiber composite component connects.
  • it is therefore not the further component itself that is produced in a primary molding process, but a connecting element.
  • a connecting element attached in this way also has the advantage that a permanent positive connection is produced between the fiber composite component and the connecting element.
  • a fiber composite component provided and processed in accordance with step b) and a further component provided are provided in a downstream method step by forming a
  • Connecting element are connected to each other. Accordingly, in this context, it is not the additional component that is produced using the primary molding process, but rather the connection between the fiber composite component and the additional component.
  • connection takes place on the basis of an injection molding process and / or casting process and / or injection molding process.
  • Another aspect of the invention relates to a fiber composite component that is processed by means of a method according to the invention.
  • Another aspect of the invention relates to a fiber composite component with fibers embedded in a matrix.
  • the fiber composite component according to the invention has a connecting section for attaching a further component, the connecting section having fibers exposed by the matrix.
  • Connection section at least two superimposed exposed fiber layers.
  • the fibers can be formed from mineral or organic material.
  • the fibers are made of carbon and / or glass.
  • the matrix is formed in particular from a plastic material.
  • a plastic material In a particularly preferred embodiment of the invention, it is a thermoplastic and / or thermoset and / or elastomer.
  • a particularly preferred material for forming the matrix is epoxy resin.
  • the fiber composite material of the fiber composite component can therefore be glass fiber reinforced
  • GRP trade plastic
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • At least one fiber of a near-surface fiber layer is preferably completely exposed with respect to the fiber cross section.
  • At least two exposed ones are arranged one above the other
  • the figure shows a fiber composite component 10 that has already been processed in sections.
  • the fiber composite component 10 is formed from carbon fiber reinforced plastic and / or glass fiber reinforced plastic.
  • the fiber composite component 10 has a surface 15
  • connection section 20 serves for the later connection of a further component to the fiber composite component 10. It is possible that a plurality of connecting sections 20 are formed on the surface 15.
  • a plurality of fibers 25 are exposed from the matrix 22.
  • four fiber layers 28, 29, 30 and 31 are exposed by the matrix 22.
  • the fibers 25 are exposed non-destructively. With others Words, the fiber layers 28, 29, 30 and 31 are intact. No fibers 25 are separated and / or perforated and / or removed in sections.
  • part of the fibers 25 lies at a 90 ° angle to the other part of the fibers 25.
  • this is only exemplary.
  • the fibers can assume any angle to one another within a fiber layer 28, 29, 30 and 31. It is possible that the fibers are unidirectional or multidirectional.
  • the fiber layers 28, 29, 30 and 31 are designed as fabrics. However, this is only an example. Basically, a fiber layer 28, 29, 30 and 31 can have a one, two or three-dimensional architecture.
  • one-dimensional position can e.g. B. from unidirectional rovings or
  • unidirectional multifilaments or unidirectional fabrics examples include
  • Tangled fiber mats nonwovens, 2D fabrics, 3D fabrics, scrims, braids and knitted fabrics.
  • a laser beam 35 is used to expose the fiber layers or fibers 25.
  • a near-surface fiber layer 28 is exposed.
  • the near-surface fiber layer 28 is the fiber layer which, starting from the surface 15, forms the first (exposed) fiber layer.
  • an ultrashort pulse laser is used to expose the fibers 25 of the fiber layers 28, 29, 30 and 31.
  • the material of the matrix 22, in particular the plastic material can be removed in a location- and depth-selective manner.
  • a gas stream 45 can also be seen.
  • the gas stream 45 may be an air stream and / or an oxygen stream and / or a carbon dioxide stream and / or an inert gas stream.
  • the gas stream 45 is directed onto the connecting section 20 with a relative pressure of at least 0.5 bar.
  • the relative pressure refers to the ambient pressure.
  • the ambient pressure can be, for example, the atmospheric air pressure.
  • the relative pressure is an overpressure of at least 0.5 bar compared to that io
  • the first exposed fibers or the first exposed fiber layer 28 are pressed away from the matrix 22 remaining below due to the gas flow 45, so that further fibers 25 or further fiber layers 29, 30 and 31 are pushed away from the matrix can be exposed.
  • a further component can be attached to a connecting section 20 produced in this way by means of an original molding method.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Faserverbundbauteilen (10) mit in einer Matrix (22) eingebetteten Fasern (25), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines Faserverbundbauteils (10) mit einer Matrix (22) und Fasern (25), wobei das Faserverbundbauteil einen Verbindungsabschnitt (20) zum Anbringen mindestens eines weiteren Bauteils aufweist; b) zumindest abschnittsweises Entfernen der Matrix (22) im Verbindungsabschnitt (20) und zumindest abschnittsweises, insbesondere die Fasern (25) nicht zerstörendes, Freilegen von Fasern (25) im Verbindungsabschnitt (20), wobei zumindest zeitweise beim Freilegen der Fasern (25) ein Gasstrom (45) auf den zu bearbeitenden Verbindungsabschnitt (20) gerichtet wird.

Description

Verfahren zum Bearbeiten von Faserverbundbauteilen und Faserverbundbauteil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Faserverbundbauteilen mit in einer Matrix eingebetteten Fasern gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Faserverbundbauteil.
Es ist bekannt, Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Beispielsweise können Federn, insbesondere Schraubenfedern oder Drehstabfedern, aus
Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden. Die Verbindung derartiger Bauteile, wie z. B. Federn, mit weiteren Bauteilen, stellt sich jedoch oftmals als
problematisch dar. Derartige weitere Bauteile sind beispielsweise aus Kunststoff, Faserverbundwerkstoffen oder Elastomeren gebildet.
Bislang bekannte Verbindungsmethoden, wie z. B. das Verkleben der Bauteile, bieten keine dauerhafte formschlüssige Verbindung zwischen der Feder und den zugehörigen Anbauteilen. Nach Ermüdung der entsprechenden Verbindung treten oftmals Relativbewegungen zwischen den Bauteilen auf, die zu Beschädigungen an den Berührungsflächen führen können. Außerdem ist es bekannt, dass
Schmutzpartikel und/oder Flüssigkeiten in den Spalt zwischen einer Feder und einem zugehörigen Anbauteil eindringen können. Dies führt zu einem abrasiven oder korrosiven Abtrag an den Bauteilen. Insbesondere bei Bauteilen, die aus Faserverbundkunststoffen oder Kunststoffen gebildet sind, können abrasive oder korrosive Phänomene zu Frühausfällen der Bauteile führen.
Aus dem Vorgenannten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten von Faserverbundbauteilen anzugeben, mittels dessen Hilfe ein Faserverbundbauteil zur Verfügung gestellt werden kann, das besonders gut mit weiteren Bauteilen verbunden werden kann. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein weiterentwickeltes Faserverbundbauteil anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das Verfahren zum
Bearbeiten von Faserverbundbauteilen durch den Gegenstand des Anspruches 1 und in Hinblick auf das Faserverbundbauteil durch den Gegenstand des
Patentanspruches 8 oder 9 gelöst.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Bearbeiten von Faserverbundbauteilen sowie des erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Verfahren zum Bearbeiten von Faserverbundbauteilen mit in einer Matrix eingebetteten Fasern anzugeben, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: a) Bereitstellen eines Faserverbundbauteils mit einer Matrix und Fasern,
wobei das Faserverbundbauteil einen Verbindungsabschnitt zum Anbringen mindestens eines weiteren Bauteils aufweist; b) zumindest abschnittsweises Entfernen der Matrix im Verbindungsabschnitt und zumindest abschnittsweises, insbesondere die Fasern nicht
zerstörendes, Freilegen von Fasern im Verbindungsabschnitt, wobei zumindest zeitweise beim Freilegen der Fasern ein Gasstrom auf den zu bearbeitenden Verbindungsabschnitt gerichtet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht zunächst im Schritt a) von bereitgestellten Faserverbundbauteilen aus, die aus einem Faserverbundwerkstoff mit in einer Matrix eingebetteten Fasern gebildet sind.
Bei den Faserverbundbauteilen kann es sich beispielsweise um Federn handeln.
Die Federn können aus einer Gruppe von Schraubenfedern, insbesondere
Schraubendruckfedern, Schraubenzugfedern, Kegelfedern, Sprungfedern,
Biegefedern, besonders bevorzugt Spiralfedern, gewundenen Torsionsfedern oder Drehstabfedern, insbesondere Stabilisatoren und Kombinationen hiervon, ausgewählt sein.
Das Faserverbundbauteil ist aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet. Bei dem Faserverbundwerkstoff kann es sich insbesondere um kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) handeln. Des Weiteren kann es sich bei dem
Faserverbundwerkstoff um glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) handeln.
Generell kann der Faserverbundwerkstoff aus mineralischen oder organischen Fasern und einem harzartigen Grundstoff gebildet sein. Des Weiteren ist es möglich, dass der Faserverbundwerkstoff auf einem Mischwerkstoff mit Glas- und Carbonfaserlagen beruht. Die Matrix des Faserverbundwerkstoffs des Faserverbundbauteils kann aus Thermoplast und/oder Elastomer und/oder Duroplast gebildet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Matrix aus Epoxidharz.
Die Fasern des Faserverbundwerkstoffes aus dem die Feder zumindest
abschnittsweise gebildet ist, sind vorzugsweise mineralische oder organische Fasern. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Fasern um Carbonfasern und/oder Glasfasern.
Die Fasern können Kurzfasern und/oder Langfasern und/oder Endlosfasern sein.
Das mindestens eine weitere Bauteil kann beispielsweise ein Anbauteil einer Feder-Baugruppe sein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Federteller oder eine Federunterlage oder ein Lagerelement handeln.
Das mindestens eine weitere Bauteil kann aus Kunststoff und/oder einem
Faserverbund und/oder Metall gebildet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Bauteil aus Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast und/oder einem Elastomer und/oder einem Duroplast, gebildet.
Im Schritt b) erfolgt das zumindest abschnittsweise Entfernen der Matrix im Verbindungsabschnitt.
Bei dem Verbindungsabschnitt handelt es sich um den Abschnitt des
Faserverbundbauteils, an dem das mindestens eine weitere Bauteil angebracht wird. Mit anderen Worten wird im Verbindungsabschnitt des Faserverbundbauteils eine Verbindung zwischen dem Faserverbundbauteil und dem mindestens einen weiteren Bauteil hergestellt.
Es ist möglich, dass das Faserverbundbauteil mehrere Verbindungsabschnitte aufweist. Es können mehrere Anbauteile mit dem Faserverbundbauteil verbunden werden. Der mindestens eine Verbindungsabschnitt ist vorzugsweise als eine abgegrenzte Kontaktfläche ausgebildet, wobei ein zu verbindendes Bauteil mit dieser
Kontaktfläche in Kontakt gebracht wird oder in Kontakt steht.
Die Matrix im Verbindungsabschnitt wird derart entfernt, dass Fasern des
Verbindungsabschnitts freigelegt werden. Insbesondere werden die Fasern derart freigelegt, dass diese nicht zerstört werden. Mit anderen Worten erfolgt im Schritt b) ein zerstörungsfreies Freilegen der Fasern. Mit wiederum anderen Worten wird lediglich das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes entfernt, so dass die Fasern weder durchtrennt noch auf andere Art und Weise beschädigt werden.
An diesen Verbindungsabschnitt, der nach dem Schritt b) freigelegte Fasern umfasst, kann in einem weiteren Schritt das weitere Bauteil beispielsweise mittels eines Urformverfahrens angebracht werden.
Beim Freilegen der Fasern wird auf den zu bearbeitenden Verbindungsabschnitt ein Gasstrom gerichtet. Dies ermöglicht es, dass bereits freigelegte Fasern und/oder freigelegte Faserlagen aufgrund des Gasstroms derart positioniert werden können, dass weitere Matrix im Verbindungsabschnitt entfernt werden kann, ohne die bereits freigelegten Fasern und/oder Faserlagen zu zerstören.
An dem bereitgestellten Faserverbundbauteil, das aus einem
Faserverbundwerkstoff gebildet ist, wird in den für die Verbindung mit
mindestens einem weiteren Bauteil vorgesehenen Oberflächen- bzw.
Randschichtenbereichen das Matrixmaterial mit geeigneten Mitteln entfernt, so dass die Fasern unbeschädigt freigelegt werden.
An den derart freigelegten Fasern, insbesondere an der derart freigelegten Faserstruktur, kann mindestens ein weiteres Bauteil durch Urformen aus der flüssigen Phase angebracht werden, so dass der noch flüssige Werkstoff des mindestens einen weiteren Bauteils die freigelegten Fasern umschließt.
Anschließend härtet der Werkstoff des weiteren Bauteils aus, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Faserverbundbauteil und dem
mindestens einen weiteren Bauteil entsteht.
Das aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellte
Faserverbundbauteil kann demnach im Rahmen eines weiteren
Verbindungsverfahrens als Grundlage einer dauerhaft formschlüssigen Verbindung dienen. Relativbewegungen zwischen dem Faserverbundbauteil und dem
mindestens einen weiteren Bauteil werden verhindert. Außerdem können keine Schmutzpartikel und/oder Flüssigkeiten zwischen die Bauteile, d.h. zwischen das Faserverbundbauteil und dem mindestens einen weiteren Bauteil, gelangen.
Während des Schritts b) wird mit anderen Worten ein Gasstrom auf den zu bearbeitenden Bereich, d.h. auf den Verbindungsabschnitt gerichtet, so dass freigelegte Fasern vom Druck des Gasstroms zur Seite geschoben werden.
Insbesondere können darunterliegende Materialschichten freigelegt werden.
Im Schritt b), nämlich bei einem abschnittsweisen Entfernen der Matrix, wird vorzugsweise ein Laser verwendet. Das abschnittsweise Entfernen der Matrix erfolgt vorzugsweise mittels eines Lasers, insbesondere mittels eines
Ultrakurzpulslasers.
Vorzugsweise werden dabei Laserimpulse mit einer Dauer von < 20 ps
(Picosekunden), insbesondere < 10 ps, auf die Matrix aufgebracht. Vorzugsweise werden Laser mit einer Wellenlänge bis zu 1.064 nm (Nanometer) verwendet.
Des Weiteren beruht die Verwendung eines Lasers darauf, einen derartigen Laser mit einer mittleren Leistung von bis zu 400 W (Watt), insbesondere bis 100 W, besonders bevorzugt mit einer Leistung von 30 - 80 W, zu verwenden.
Die Wiederholungsrate der aufzubringenden Laserstrahlen auf die Matrix kann bis zu 1 MHz (Megahertz) betragen. Die bevorzugte Verwendung eines Lasers, insbesondere eines Ultrakurzpulslasers, hat den Vorteil, dass das Matrixmaterial orts- und tiefenselektiv bearbeitet und/oder entfernt werden kann.
Aufgrund der Ausrichtung eines Gasstroms auf den zu bearbeitenden
Verbindungsabschnitt können freigelegte Fasern vom Druck des Gasstroms zur Seite geschoben werden, so dass darunterliegende Materialschichten freiliegen. Dadurch kann der Laserstrahl auch tiefere Materialschichten erreichen, da er nicht mehr von bereits freigelegten Fasern einer oberen Faserlage behindert wird. Der Laserstrahl selbst wird nicht durch den Gasstrom beeinflusst.
Der Gasstrom kann ein Luftstrom und/oder ein Sauerstoffstrom und/oder ein Kohlenstoffdioxidstrom und/oder ein Strom aus inertem Gas sein. Vorzugweise wird der Gasstrom mit einem Relativdruck von mindestens 0,5 bar auf den Verbindungsabschnitt gerichtet. Der Relativdruck bezieht sich auf den Umgebungsdruck. Bei dem Umgebungsdruck kann es sich beispielsweise um den atmosphärischen Luftdruck handeln. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Relativdruck um einen Überdruck von mindesten 0,5 bar gegenüber dem
Umgebungsdruck.
Vorzugsweise wird im Schritt b) die Matrix bis zu einer derartigen Tiefe entfernt, dass mindestens eine Faser einer oberflächennahen Faserlage bezüglich des Faserquerschnitts vollständig freigelegt ist. Eine oberflächennahe Faserlage wird im Folgenden derart definiert, dass diese die äußerste Faserlage des
Faserverbundwerkstoffs des Faserverbundbauteils betrifft. Bei einem Entfernen der Matrix ist diese Faserlage die erste freigelegte Faserlage.
Eine Faserlage kann mehrere miteinander verwobene Fasern umfassen. Des Weiteren ist es möglich, dass eine Faserlage unidirektionale Faserbündel umfasst oder aus unidirektionalen Faserbündeln besteht. Eine Faserlage kann beispielsweise eine Matte oder ein Gewebe oder ein Gelege oder ein Geflecht oder eine Wirrfasermatte oder ein Vlies oder ein 3D-Gewebe oder ein 2D-Gewebe oder ein Gestrick sein.
Die Matrix wird bis zu einer derartigen Tiefe abgetragen bzw. entfernt, dass mindestens eine Faser einer oberflächennahen Faserlage, insbesondere ein Abschnitt einer Oberflächenfaserlage, vollständig von der Matrix freigelegt ist.
Dies bedeutet, dass die Faser(n) hinsichtlich des meist runden Faserquerschnitts im Wesentlichen vollständig von Matrixmaterial befreit ist/sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass mehrere übereinander angeordnete Faserlagen zumindest abschnittsweise von dem
Material der Matrix freigelegt sind. Mit anderen Worten können im Schritt b) mindestens zwei übereinander angeordnete Faserlagen zumindest abschnittsweise freigelegt werden. Dies ermöglicht eine verbesserte formschlüssige Verbindung zwischen einem Faserverbundbauteil und einem weiteren Anbauteil.
Im Schritt b) wird vorzugsweise eine erste freigelegte Faserlage oder werden erste freigelegte Fasern aufgrund des Gasstroms von der verbliebenen Matrix weggedrückt, so dass weitere Fasern oder weitere Faserlagen von der Matrix freigelegt werden können. Am Verbindungsabschnitt kann anschließend das weitere Bauteil mittels eines Urformverfahrens angebracht werden. Bei dem Urformverfahren kann es sich insbesondere um ein Spritzverfahren oder ein Gießverfahren oder ein
Spritzgussverfahren handeln. Diese Urformverfahren haben den Vorteil, dass zunächst ein flüssiger Werkstoff vorliegt, der in den Bereich des
Verbindungsabschnitts aufgebracht werden kann, so dass freigelegte Fasern/ freigelegte Faserlagen von dem flüssigen Werkstoff umschlossen und
anschließend ausgehärtet werden können.
Des Weiteren ist es möglich, dass im Schritt c) mittels des Urformverfahrens ein Verbindungselement hergestellt wird, das das weitere Bauteil mit dem
Faserverbundbauteil verbindet. In diesem Ausführungsbeispiel wird demnach nicht das weitere Bauteil selbst in einem Urformverfahren hergestellt, sondern ein Verbindungselement. Auch ein derartig angebrachtes Verbindungselement weist den Vorteil auf, dass eine dauerhafte formschlüssige Verbindung zwischen dem Faserverbundbauteil und dem Verbindungselement hergestellt wird.
Es ist insbesondere möglich, dass ein bereitgestelltes und gemäß Schritt b) bearbeitetes Faserverbundbauteil sowie ein bereitgestelltes weiteres Bauteil in einem nachgelagerten Verfahrensschritt mittels Bildung eines
Verbindungselements miteinander verbunden werden. Demnach wird in diesem Zusammenhang nicht das weitere Bauteil im Urformverfahren hergestellt, sondern die Verbindung zwischen dem Faserverbundbauteil und dem weiteren Bauteil.
Die Verbindung erfolgt in diesem Fall aufgrund eines Spritzverfahrens und/oder Gießverfahrens und/oder Spritzgussverfahrens.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens bearbeitet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil mit in einer Matrix eingebetteten Fasern. Das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil weist einen Verbindungsabschnitt zum Anbringen eines weiteren Bauteils auf, wobei der Verbindungsabschnitt von der Matrix freigelegte Fasern aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der
Verbindungsabschnitt mindestens zwei übereinander angeordnete freigelegte Faserlagen auf. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils gehen die gleichen Vorteil oder ähnliche Vorteile einher, wie diese bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt sind.
Die Fasern können aus mineralischem oder organischem Material gebildet sein. Insbesondere sind die Fasern aus Carbon und/oder Glas gebildet.
Die Matrix ist insbesondere aus einem Kunststoffmaterial gebildet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein Thermoplast und/oder Duroplast und/oder Elastomer. Ein besonders bevorzugtes Material zur Ausbildung der Matrix ist Epoxidharz. Bei dem Faserverbundwerkstoff des Faserverbundbauteils kann es sich demnach um glasfaserverstärkten
Kunststoff (GFK) und/oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) handeln.
Vorzugsweise ist mindestens eine Faser einer oberflächennahen Faserlage bezüglich des Faserquerschnitts vollständig freigelegt. Bezüglich der Definition der oberflächennahen Faserlage wird auf vorherige Erläuterungen verwiesen.
Insbesondere sind mindestens zwei übereinander angeordnete freigelegte
Faserlagen ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte, schematische Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Faserverbundbauteil 10, das bereits abschnittsweise bearbeitet ist. Das Faserverbundbauteil 10 ist aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet.
Das Faserverbundbauteil 10 weist auf der Oberfläche 15 einen
Verbindungsabschnitt 20 auf. Der Verbindungsabschnitt 20 dient zur späteren Verbindung eines weiteren Bauteils mit dem Faserverbundbauteil 10. Es ist möglich, dass auf der Oberfläche 15 mehrere Verbindungsabschnitte 20 ausgebildet sind.
Im Verbindungsabschnitt 20 sind mehrere Fasern 25 von der Matrix 22 freigelegt. Im dargestellten Beispiel sind vier Faserlagen 28, 29, 30 und 31 von der Matrix 22 freigelegt. Die Fasern 25 sind dabei zerstörungsfrei freigelegt. Mit anderen Worten sind die Faserlagen 28, 29, 30 und 31 intakt. Es sind keine Fasern 25 getrennt und/oder durchbrochen und/oder abschnittsweise entfernt.
Im dargestellten Beispiel liegt ein Teil der Fasern 25 im 90°-Winkel zu dem anderen Teil der Fasern 25. Die ist jedoch nur beispielhaft. Die Fasern können prinzipiell innerhalb einer Faserlage 28, 29, 30 und 31 jeden Winkel zueinander einnehmen. Es ist möglich, dass die Fasern unidirektional oder multidirektional liegen.
In der Figur sind die Faserlagen 28, 29, 30 und 31 als Gewebe ausgebildet. Die ist jedoch nur beispielhaft. Grundsätzlich kann eine Faserlage 28, 29, 30 und 31 eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Architektur aufweisen. Eine
eindimensionale Lage kann z. B. aus unidirektionalen Rovings oder
unidirektionalen Multifilamenten oder unidirektionalen Geweben gebildet sein. Beispiele für eine zwei- bzw. dreidimensionale Architektur sind u.a.
Wirrfasermatten, Vliese, 2D-Gewebe, 3D-Gewebe, Gelege, Geflechte und Gestricke.
Zum Freilegen der Faserlagen bzw. der Fasern 25 wird ein Laserstrahl 35 verwendet. Zunächst wird eine oberflächennahe Faserlage 28 freigelegt. Bei der oberflächennahen Faserlage 28 handelt es sich um die Faserlage, die ausgehend von der Oberfläche 15 die erste (freigelegte) Faserlage bildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zum Freilegen der Fasern 25 der Faserlagen 28, 29, 30 und 31 ein Ultrakurzpulslaser verwendet. Mit Hilfe eines derartigen Ultrakurzpulslasers kann das Material der Matrix 22, insbesondere das Kunststoffmaterial, orts- und tiefenselektiv entfernt werden.
Des Weiteren ist ein Gasstrom 45 zu erkennen. Der Gasstrom 45 kann ein Luftstrom und/oder ein Sauerstoffstrom und/oder ein Kohlenstoffdioxidstrom und/oder ein Strom aus inertem Gas sein.
Der Gasstrom 45 wird mit einem Relativdruck von mindestens 0,5 bar auf den Verbindungsabschnitt 20 gerichtet. Der Relativdruck bezieht sich auf den Umgebungsdruck. Bei dem Umgebungsdruck kann es sich beispielsweise um den atmosphärischen Luftdruck handeln. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Relativdruck um einen Überdruck von mindesten 0,5 bar gegenüber dem io
Umgebungsdruck.
Während der Bearbeitung des Verbindungsabschnitts 20 mit dem Laserstrahl 35 werden erste freigelegte Fasern bzw. die zuerst freigelegte Faserlage 28 aufgrund des Gasstroms 45 von der darunter verbliebenen Matrix 22 weggedrückt, so dass weitere Fasern 25 bzw. weitere Faserlagen 29, 30 und 31 von der Matrix freigelegt werden können.
An einem derart hergestellten Verbindungsabschnitt 20 kann in einem weiteren Verfahrensschritt ein weiteres Bauteil mittels eines Urformverfahrens angebracht werden.
Bezugszeichenliste
10 Faserverbundbauteil
15 Oberfläche
20 Verbindungsabschnitt
22 Matrix
25 Faser
28 Oberflächennahe Faserlage
29, 30, 31 Faserlagen

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Bearbeiten von Faserverbundbauteilen (10) mit in einer Matrix (22) eingebetteten Fasern (25),
geken nzeich net d u rch
die Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen eines Faserverbundbauteils (10) mit einer Matrix (22) und Fasern (25), wobei das Faserverbundbauteil einen
Verbindungsabschnitt (20) zum Anbringen mindestens eines weiteren Bauteils aufweist;
b) zumindest abschnittsweises Entfernen der Matrix (22) im
Verbindungsabschnitt (20) und zumindest abschnittsweises,
insbesondere die Fasern (25) nicht zerstörendes, Freilegen von Fasern (25) im Verbindungsabschnitt (20),
wobei
zumindest zeitweise beim Freilegen der Fasern (25) ein Gasstrom (45) auf den zu bearbeitenden Verbindungsabschnitt (20) gerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dad u rch geken nzeich net, dass
das abschnittsweise Entfernen der Matrix (22) mittels eines Lasers (35), insbesondere mittels eines Ultrakurzpulslasers, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Gasstrom (45) ein Luftstrom und/oder ein Sauerstoffstrom und/oder ein Kohlenstoffdioxidstrom und/oder ein Strom aus inertem Gas ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Gasstrom (45) mit einem Relativdruck von mindestens 0,5 bar auf den Verbindungsabschnitt (20) gerichtet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
im Schritt b) die Matrix (22) bis zu einer derartigen Tiefe entfernt wird, dass mindestens Fasern (25) einer oberflächennahen Faserlage (28) bezüglich des Faserquerschnitts vollständig freigelegt sind.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
im Schritt b) erste freigelegte Fasern (25) oder eine erste freigelegte Faserlage (28) aufgrund des Gasstroms (45) von der verbliebenen Matrix (22) weggedrückt werden/wird, sodass weitere Fasern (25) oder weitere Faserlagen (29, 30, 31) von der Matrix (22) freigelegt werden können.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dad u rch geken nzeich net, dass
im Schritt b) mindestens zwei übereinander angeordnete Faserlagen (28, 29) zumindest abschnittsweise freigelegt werden.
8. Faserverbundbauteil (10), bearbeitet mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Faserverbundbauteil (10) mit in einer Matrix (22) eingebetteten Fasern (25),
geken nzeich net d u rch
einen Verbindungsabschnitt (20) zum Anbringen eines weiteren Bauteils, wobei der Verbindungsabschnitt (20) von der Matrix (22) freigelegte Fasern (25) aufweist.
10. Faserverbundbauteil (10) nach Anspruch 9,
dad u rch geken nzeich net, dass
der Verbindungsabschnitt (20) mindestens zwei übereinander
angeordnete freigelegte Faserlagen (28, 29) aufweist.
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