WO2021069723A1

WO2021069723A1 - Faserverbundbauteile

Info

Publication number: WO2021069723A1
Application number: PCT/EP2020/078509
Authority: WO
Inventors: Andreas Kienzle; Almut SCHWENKE; Tanja Damjanovic; Oswin Oettinger
Original assignee: Sgl Carbon Se
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2021-04-15
Also published as: DE112020004903A5; DE102019215664A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Körpers (1), welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist, b) Anbringen eines faserhaltigen Verstärkungselements (2) am Körper, und c) Erzeugen verbindenden Kohlenstoffs zwischen Verstärkungselement und Körper sowie nach dem Verfahren erhältliche Faserverbundbauteile und deren Verwendung.

Description

FASERVERBUNDBAUTEILE

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund bauteils, ein nach diesem Verfahren hergestelltes Faserverbundbauteil und dessen Verwendung.

Carbonfaserverstärkte Kohlenstoffmaterialien (CFC-Materialien) kombinieren die Eigenschaften von Carbonfasern und einer kohlenstoffbasierten Matrix. Dadurch entsteht ein Material mit hoher Bruchzähigkeit, geringer thermischer Ausdehnung, exzellenter chemischer Beständigkeit, sowie einer hohen Temperaturbeständigkeit. Allerdings ist die Fertigung sehr aufwendig und insbesondere die Herstellung komplexer Bauteile sehr zeit-, material- und damit kostenintensiv.

Additive Fertigungstechniken wie 3D Druck ermöglichen eine hohe Designfreiheit, die flexible Herstellung von Kleinserien und damit die kostengünstige Herstellung von komplexen Bauteilen. Pulverbasierte 3D gedruckte Kohlenstoffmaterialien sind jedoch mechanisch nur in engen Grenzen belastbar und neigen im Moment einer ersten Rissbildung zum abrupten Materialversagen. Ein Einbringen von langen verstärkenden Fasern während des Drückens ist bei gängigen 3D Druckverfahren für kohlenstoffbasierte Pulver, wie Binder Jetting oder Pastenextrusion, aber bisher quasi nicht möglich. Dies gilt insbesondere für Fasern, deren Länge die Durchmesser der Partikel überschreitet, die für den Druck verwendet werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bauteil mit geringer thermischer Ausdehnung, hoher chemischer Beständigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Schadenstoleranz in beliebig komplexer Form mit geringem Aufwand zugänglich zu machen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Körpers, welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist, b) Anbringen eines faserhaltigen Verstärkungselements am Körper, und c) Erzeugen verbindenden Kohlenstoffs zwischen Verstärkungselement und Körper.

Der in Schritt a) bereitgestellte Körper kann z.B. ein kohlenstoffbasierter Körper und/oder ein keramischer Körper sein. Für den keramischen Körper kommt prinzipiell jede Keramik in Betracht, die mittels additiver Fertigung ausgehend von einem Pulver (und Binder) in einen Körper überführt werden kann, soweit sie den Bedingungen in Schritt c) standhält. Vorzugsweise steht Keramik hierin für Siliziumcarbid oder Borcarbid oder deren Mischungen. Der in a) bereitgestellte Körper kann demnach bevorzugt ein kohlenstoffbasierter und/oder siliziumcarbidbasierter oder borcarbidbasierter Körper sein, welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist. Für den kohlenstoff basierten Körper können Kohlenstoffpartikel umfassend amorphen Kohlenstoff und Graphit sowie sämtliche Mischformen dieser verwendet werden. Insbesondere kann der in a) bereitgestellte Körper aus einer Mischung aus Koks und Siliziumcarbid mittels additiver Fertigung hergestellt worden sein. Die Art des verwendeten Koks ist hierbei nicht besonders eingeschränkt; es können unter anderem Kokse wie Steinkohlenteer pechkoks, Petrolkoks, Acetylenkoks, Flexikoks, Fluidkoks oder Shot Coke, bevorzugt Flexikoks, eingesetzt werden. Die vorteilhaften Eigenschaften der Verwendung der oben genannten Kohlenstoffpartikel sind in der WO 2017/089499 A1 beschrieben. Mit kohlenstoffbasiertem Körper können erfindungsgemäße Faserverbundbauteile mit besonders hoher thermischer Beständigkeit hergestellt werden. Der siliziumcarbid- basierte Körper sorgt hingegen für eine besondere Härte und Abrasionsfestigkeit. Mit borcarbidbasiertem Körper lassen sich noch leichtere Verbundbauteile hersteilen, als mit siliziumcarbidbasiertem Körper. Die Angabe, dass der Körper kohlenstoffbasiert und/oder keramisch, z.B. silizium- carbidbasiert ist, bedeutet, dass der Körper mindestens zu 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens zu 70 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt zu mindestens 90 Gew.-% aus Kohlenstoff und/oder Keramik, z.B. Siliziumcarbid und oder Borcarbid, besteht. Die hier angegebenen Massenanteile beziehen sich auf den Körper, wie er aus der additiven Fertigung erhalten wird, also noch vor der Anbringung des Verstärkungs elements und vor einer Infiltration des Körpers mit weiterer Substanz. Die Massen anteile beziehen sich dabei auf das Verhältnis der Summe der Massenanteile an Kohlenstoff und Keramik, z.B. Siliziumcarbid und/oder Bordcarbid, bezogen auf die Gesamtmasse des in Schritt a) bereitgestellten Körpers. Da Kohlenstoff im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung amorphen Kohlenstoff und Graphit meint, geht in den Anteil an Kohlenstoff sowohl amorpher Kohlenstoff als auch Graphit ein, also jeglicher Kohlenstoff unabhängig von dessen Kristallinitätsgrad.

Der in Schritt a) bereitgestellte Körper ist mittels additiver Fertigung erhältlich oder hergestellt worden. Bestimmte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen eine noch vor Schritt a) erfolgende additive Fertigung des Körpers. Es ist jedoch auch möglich, die durch additive Fertigung erhältlichen oder hergestellten Körper, die in Schritt a) bereitgestellt werden, zuzukaufen oder vom erfindungsgemäßen Verfahren räumlich getrennt und/oder zeitlich entkoppelt herzustellen. Die additive Fertigung des Körpers kann also optional vom erfindungsgemäßen Verfahren umfasst sein.

Der in Schritt a) bereitgestellte Körper kann z.B. gekauft oder mit additiven Fertigungstechnologien hergestellt werden, die dem Fachmann aus der einschlägigen Fachliteratur bekannt sind. Er kann z.B. so hergestellt werden, wie in WO 2017/089499 A1 (siehe z.B. darin angegebene Verfahrensansprüche 8 bis 10) oder DE10 2012 219 989 A1 (siehe z.B. darin angegebene Körper der Ansprüche 7 und 8) beschrieben. Eine Fülle verschiedener, sehr gut geeigneter additiv gefertigter Körper können von SGL Carbon gekauft werden. Der in Schritt a) bereitgestellte Körper besteht vorzugsweise aus Partikeln mit einer mittleren Größe (d50) im Bereich von 10-500 pm aufgebaut sein. Die daraus resultierende hohe Porosität des Körpers begünstigt die Infiltration mit flüssigem oder gasförmigem Medium. Für die Bestimmung des d50-Werts kann die lasergranulo- metrische Methode (ISO 13320) eingesetzt werden, wobei ein Messgerät der Sympatec GmbH mit zugehöriger Auswertesoftware verwendet wird. Im bestehenden Körper kann die Partikelgröße auch aus dem Schliffbild bestimmt werden, z.B. lichtmikroskopisch.

Unter additiver Fertigung wird in bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren Binder Jetting oder Pastenextrusion verstanden. In einem besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren ist der in Schritt a) bereitgestellte Körper mittels Binder Jetting hergestellt worden oder mittels Binder Jetting erhältlich.

Beim Binder Jetting wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial an ausgewählten Stellen mit einem Binder verklebt, um so den Körper zu erzeugen. Dies bewirkt, dass der Körper pulverbasiert, hochporös, und weitgehend isotrop ist. In Schritt c) kann dann ein sich bis in die Poren des Körpers erstreckender, verbindender Kohlenstoff entstehen, der zu einer besonders festen Verbindung von Verstärkungselement und Körper führt.

Der beim Binder Jetting verwendete Binder wird hierin als Jetting-Binder bezeichnet. Es können organische oder anorganische Jetting-Binder verwendet werden, wobei z.B. Wasserglas als anorganischer Jetting-Binder und z.B. Phenolharz oder Furanharz als organische Jetting-Binder gut verwendbar sind. Beim Binder Jetting wird ein Körper mit einem Feststoffanteil von größer 80 Gew.-%, bevorzugt größer 90 Gew.-%, erhalten.

Bei der Pastenextrusion wird eine Extrusionspaste in definierter weise in einem vorgegebenen Muster abgelegt, um so den Körper zu erzeugen. Das Ablegen der Extrusionspaste kann dabei schichtweise aus einem extrudierten Strang erfolgen. Die Extrusionspaste enthält vorzugsweise Kohlenstoffpartikel und/oder Keramikpartikel, z.B. Siliziumcarbidpartikel. Außerdem enthält die Extrusionspaste Binder. Der in der Extrusionspaste enthaltene Binder unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Bevorzugt ist in der Extrusionspaste ein carbonisierbarer Binder enthalten, z.B., Phenolharz, Furanharz, Benzoxazinharz, Pech, Cellulose, Stärke, Zucker, Polyvinylalkohol (PVA), Thermoplaste wie z.B. Polyaryletherketone und insbesondere Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyimid.

Das faserhaltige Verstärkungselement unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Als faserhaltiges Verstärkungselement kommt prinzipiell jede Faser und jedes faserhaltige Material und jede faserhaltige Masse in Betracht, welche(s) sich gemäß der Verfahrensschritte b) und c) mit dem Körper zu einem erfindungsgemäßen Faserver bundbauteil weiterverarbeiten lässt.

Faser meint im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise Carbonfaser oder Siliziumcarbidfaser, besonders bevorzugt Carbonfaser. Dementsprechend bedeutet „faserhaltig“ vorzugsweise „carbonfaserhaltig“ oder „siliziumcarbidfaserhaltig“, besonders bevorzugt „carbonfaserhaltig“. Carbonfaser ist immer dann bevorzugt, wenn geringe Gewichts-, hohe Festigkeits- und Steifigkeits anforderungen bestehen. Siliziumcarbidfaser wird bevorzugt eingesetzt, wenn es um eine gute Oxidationsstabilität und Verschleißstabilität geht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kommt jeder Art der Anbringung des Verstärkungselements am Körper in Betracht, die den Bedingungen standhält, welche beim nachfolgenden Verfahrensschritt c) vorherrschen.

Das Anbringen in Schritt b) kann stoffschlüssig mit einem carbonisierbaren Fügebindemittel erfolgen. Dies bedeutet, dass der mit dem Anbringen zwischen Körper und Verstärkungselement einhergehende Kontakt zu einem fügebindemittelvermittelten Stoffschluss zwischen Körper und Verstärkungselement führt. Wie aus den nachfolgenden Ausführungen zu formbaren und starren faserhaltigen Verstärkungselementen und Anbringungsmethoden deutlich wird, kann als Fügebindemittel bevorzugt das im Verstärkungselement ohnehin enthaltene Bindemittel und/oder ein zusätzlich einzubringendes Bindemittel dienen. Es kann mindestens ein Teil des Fügebindemittels ein im Verstärkungselement und/oder im Körper enthaltenes Bindemittel sein. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Teil des Fügebindemittels vor dem Anbringen auf mindestens eine Oberfläche des Verstärkungselements und/oder des Körpers aufgetragen werden.

Das in Schritt b) bereitgestellte faserhaltige Verstärkungselement kann formbar sein. Dies ist in der Regel dann der Fall, wenn das faserhaltige Verstärkungselement ein Bindemittel enthält, das noch nicht ausgehärtet ist. Die Fasern können mit dem Bindemittel benetzt oder in dem Bindemittel aufgenommen sein. Konkrete Beispiele solcher formbaren Verstärkungselemente sind eine Harz und Fasern enthaltende Masse, die hierin auch als „Harz-Faser- Masse“ bezeichnet ist, ein mindestens teilweise harzgetränktes textiles Flächengebilde (solche Flächengebilde sind als „Prepregs“ käuflich erhältlich, z.B. von SGL Carbon), ein harzgetränkter Faserstrang.

Das verwendete Harz für die Herstellung solcher formbaren Verstärkungselemente weist nach der Pyrolyse eine Kohlenstoffausbeute von vorzugsweise mindestens 10 %, bevorzugter von mindestens 20 % und noch bevorzugter von mindestens 40 % auf.

Das formbare Verstärkungselement muss jedoch kein Bindemittel enthalten, wie z.B. bei Flechtschläuchen, bei denen ein Körper mit Fasern umflochten wird. Nach dem Anbringen kann eine Imprägnierung mit carbonisierbarem Fügebindemittel erfolgen. Anschließend kann in Schritt c) verbindender Kohlenstoff zwischen Verstärkungs element und Körper erzeugt werden. Das Anbringen dieser formbaren Verstärkungselemente am Körper kann dann z.B. erfolgen durch Pressen mithilfe einer Pressform (Anbringungsmethode 1), Aufsprühen mittels Faserspritzen (Anbringungsmethode 2), Aufpressen mittels Vakuumsack verfahren (Anbringungsmethode 3) und/oder Autoklavverfahren (Anbringungsmethode 4), oder Umwickeln des Körpers mit dem faserhaltigen Verstärkungselement (Anbringungsmethode 5). Vakuumsackverfahren und Autoklavverfahren sind beschrieben in Drechsler, K., Heine, M., Mitschang, P., Baur, W., Gruber, U., Fischer,

L, Öttinger, O., Heidenreich, B., Lützenburger, N. und Voggenreiter, H. (2009), Carbon Fiber Reinforced Composites, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, (Ed.)., in Abschnitt 2.3.3. Es versteht sich für den Fachmann von selbst, welche der vorgenannten Anbringungsmethoden 1 bis 5 für die oben aufgelisteten formbaren Verstärkungselemente zur Anbringung am Körper jeweils geeignet sind. Die Anbringung am Körper geht beim formbaren Verstärkungselement im Allgemeinen mit einer Veränderung der Form des Verstärkungselements einher. Das Verstärkungselement kann beim Anbringen an den Körper einer Kontur des Körpers flexibel angepasst werden.

Formbare Verstärkungselemente lassen es also zu, die Form des Körpers ohne Rücksicht auf die Form eines starren Verstärkungselement zu optimieren. Es ist dann nicht erforderlich, einen Körper mit einer Oberfläche bereitzustellen, die spezifisch an die Oberfläche eines gegebenen, starren Verstärkungselements angepasst ist. Da das Bindemittel, z.B. Harz, formbarer Verstärkungselemente im Moment der Anbringung am Körper noch nicht ausgehärtet ist, kann es zugleich als Fügebindemittel dienen.

Das Anbringen in Schritt b) kann ohne Stoffschluss erfolgen. Dies bedeutet, dass der mit dem Anbringen einhergehende Kontakt zwischen Körper und Verstärkungselement zu keinem Stoffschluss zwischen Körper und Verstärkungselement führt. Ein Stoffschluss erfolgt z.B. dann nicht, wenn sämtliche Binder bzw. Bindemittel in Körper und Verstärkungselement in dem Moment, in dem es zu dem Kontakt zwischen Körper und Verstärkungselement kommt, schon so weit ausgehärtet sind, dass es beim weiteren Aushärten nicht zu einer binder- bzw. bindemittelvermittelten Verbindung von Körper und Verstärkungselement kommt oder das Verstärkungselement ein bindemittelfreies Verstärkungselement ist. In den Körper und das daran angebrachte Verstärkungselement kann eine carbonisierbare Substanz infiltriert werden. Es kann sich um eine flüssige oder um eine gasförmige carbonisierbare Substanz handeln. Die Substanz kann dann einen Stoffschluss bewirken, wobei spätestens der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren entstehende verbindende Kohlenstoff den Stoffschluss bewirkt.

Das in Schritt b) bereitgestellte faserhaltige Verstärkungselement kann starr sein. Starr ist das faserhaltige Verstärkungselement z.B. dann, wenn das faserhaltige Verstärkungselement ausgehärtetes Bindemittel, eine Kohlenstoffmatrix und/oder eine keramische Matrix enthält. Konkrete Beispiele starrer faserhaltiger Verstärkungselemente sind

- faserverstärkte Kohlenstoffelemente, z.B. carbonfaserverstärkte Kohlenstoffelemente, insbesondere o faserverstärkte Kohlenstoffplatten, z.B. carbonfaserverstärkte Kohlenstoffplatten (CFC-Platten) o faserverstärkte Kohlenstoffringe, z.B. carbonfaserverstärkte Kohlenstoffringe (CFC-Ringe) o faserverstärkte Kohlenstoffstäbe, z.B. carbonfaserverstärkte Kohlenstoffstäbe (CFC-Stäbe) und

- Carbonfaserverstärkte siliziumcarbidkeramische Elemente, insbesondere o carbonfaserverstärkte siliziumcarbidkeramische Platten o carbonfaserverstärkte siliziumcarbidkeramische Ringe o carbonfaserverstärkte siliziumcarbidkeramische Stäbe Das Anbringen dieser starren Verstärkungselemente am Körper kann insbesondere erfolgen durch Aufpressen auf eine Oberfläche des Körpers (insbesondere wenn das starre Verstärkungselement eine Platte ist), Umlegen des Körpers (insbesondere wenn das starre Verstärkungselement ein Ring ist) oder Einlegen in eine Ausnehmung des Körpers (insbesondere wenn das starre Verstärkungselement ein Stab, Gitter oder ein Ring ist).

Da das Bindemittel eines starren Verstärkungselements im Allgemeinen ausgehärtet ist und nicht mehr als Fügebindemittel dienen kann, kann zur Anbringung des Körpers weiteres Fügebindemittel zugeführt werden.

Erfindungsgemäß können Verstärkungselement und/oder der Körper dann bei einer Temperatur von mindestens 600 °C, bevorzugt mindestens 800 °C, besonders bevorzugt mindestens 1400 °C, z.B. mindestens 1600 °C behandelt werden, bevor das Anbringen des Verstärkungselements an dem Körper erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass bei der nachfolgenden Infiltration in Schritt c) keine oder nur noch eine geringfügige weitere Pyrolyse und Dimensionsänderung aufgrund von Materialschrumpf erfolgt.

Ein Teil des in Schritt c) erfolgenden Schrumpfens wird dadurch schon vor dem Anbringen vorweggenommen. Erste Versuche deuten klar darauf hin, dass sich dadurch der Ausschuss bei der Fertigung erfindungsgemäßer Faserverbundbauteile verringern lässt. Es wird vermutet, dass mechanische Spannungen im Bereich der entstehenden Verbindung von Körper und Verstärkungselement auf ein Minimum reduziert werden. Deshalb ist auf diese Weise die Herstellung noch stabilerer Faserverbundbauteile mit besonders geringem Ausschuss möglich.

Das Fügebindemittel, das zur Anbringung des Körpers (zusätzlich) zugeführt werden kann, kann z.B. ein Harz enthalten, insbesondere ein Phenolharz, ein Furanharz, ein Benzoxazinharz und/oder ein Bismaleinimidharz, oder Zucker oder Pech. In Schritt c) kann der verbindende Kohlenstoff mit jeder Technik hergestellt werden, mit der sich im Bereich der Kontaktfläche von Körper und Verstärkungselement Kohlenstoff erzeugen lässt. Welche Technik besonders sinnvoll zu wählen ist, hängt davon ab, wie die Anordnung in Schritt b) erfolgt ist und ob infolgedessen im Bereich der Kontaktfläche carbonisierbares Material vorliegt oder nicht. So kann der verbindende Kohlenstoff durch Carbonisierung der hierin beschriebenen carbonisierbaren Substanz oder des hierin beschriebenen Fügebindemittels erzeugt werden.

Die carbonisierbare Substanz kann sich infolge einer Infiltration dieser Substanz durch das gesamte Bauteil oder durch weite Bereiche des Bauteils erstrecken. Die Carbonisierung führt dann zu einer durchgehenden Phase verbindenden Kohlenstoffs, die sich durch das gesamte Bauteil hindurch erstrecken kann.

Wenn im Bereich der Kontaktfläche von Körper und Verstärkungselement keine carbonisierbare Substanz und auch kein Fügebindemittel vorliegt, kann der verbindende Kohlenstoff auch anders gebildet werden, z.B. durch chemische Gasphaseninfiltration (CVI).

Das Fügebindemittel und oder die carbonisierbare Substanz haben beim Erhitzen in N2- Atmosphäre vorzugsweise eine Materialausbeute von mindestens 20 Gew.-%, insbesondere mindestens 40 Gew.-%. Dies wird getestet, indem man ca. einen Milliliter Fügebindemittel oder carbonisierbare Substanz wiegt, in N2-Atmosphäre mit einer Heizrate von 1 K/Minute bis auf 900 °C erhitzt und die Probe dann weitere 10 Minuten unter N2-Atmospäre auf 900 °C hält. Der Rückstand wird erneut gewogen. Wenn die Masse bei der zweiten Wägung mindestens 20 % der Masse bei der ersten Wägung ergibt, beträgt die Materialausbeute mindestens 20 Gew.-%. Vorzugsweise beträgt der Massenanteil an C im Rückstand insgesamt mindestens 40 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, z.B. mindestens 95 Gew.-%. Dies bewirkt, dass sich in Verfahrensschritt c) der verbindende Kohlenstoff zwischen Verstärkungselement und Körper besonders effektiv bildet. Dadurch wird die Festigkeit erfindungsgemäßer Faserverbundbauteile gesteigert.

Das Fügebindemittel kann eine Kohlenstoff- und/oder Siliziumcarbidpartikel und/oder Fasern mit einer mittleren Länge von höchstens 3 mm enthaltende Paste sein, z.B. mit einem Massenanteil an Partikeln und/oder Fasern von insgesamt 10-90 Gew.-%, insbesondere 30-70 Gew.-%. Mit der Paste werden die thermomechanischen Eigenschaften von Körper und Verstärkungselement aneinander angeglichen, wobei die Partikel der Paste, die zwischen den in Kontakt stehenden Flächen liegenden Hohlräume ausfüllen können. Die in Schritt c) zwischen Körper und Verstärkungs element auftretenden thermischen Spannungen scheinen vom sich bildenden Faserverbundbauteil dann besser aufgenommen zu werden. Dadurch wird eine höhere mechanische Belastbarkeit des Bauteils erreicht sowie eine höhere Fertigungsgenauigkeit und eine geringere Ausschussquote.

Der Einsatz von weniger Paste hilft hingegen, die Dimensionsgenauigkeit zu erhalten. Vor diesem Hintergrund kann der Fachmann die Menge der Paste so wählen, dass die Dimensionsgenauigkeit möglichst hoch wird, ohne jedoch zu große mechanische Spannungen in den erzeugten Verbundbauteilen zu bewirken.

Die Paste ist bevorzugt so zusammengesetzt wie die im Zusammenhang mit der Pastenextrusion beschriebene Extrusionspaste, jedoch ist die Viskosität der Extrusionspaste im Allgemeinen höher eingestellt als die Viskosität der für das Fügen verwendeten Paste. Das Fügebindemittel kann faserfrei sein oder auch Fasern enthalten, z.B. Carbonfasern oder Siliziumcarbidfasern. Die im Fügebindemittel enthaltenen Fasern können eine mittlere Länge von bis zu 3 mm haben, besonders bevorzugt eine mittlere Länge von bis zu 1 mm. Es kann sich z.B. um Kurzschnittfasern oder gemahlene Fasern handeln. Kurzschnittfasern werden erzeugt, indem man von einem Faserstrang lauter gleich lange Abschnitte abtrennt. Gemahlene Fasern werden erzeugt, indem man Fasern mahlt.

Erfindungsgemäße Faserverbundbauteile, die sehr große, auf Paste zurückgehende Volumenanteile umfassen, sind weniger bevorzugt. Denn im fertigen Faserverbund bauteil sind die auf die Paste zurückgehenden Bereiche im Allgemeinen weniger belastbar, als die auf faserhaltige Verstärkungselemente zurückgehenden Bereiche. Vorzugsweise ist das Fügebindemittel eine Paste, die höchstens 10 % des Gesamt volumens des nach Schritt b) vorliegenden Faserverbundbauteils einnimmt. Die hier angegebene Obergrenze von 10 % bezieht sich auf Fügebindemittelvolumen, die zusätzlich zu einem im Verstärkungselement optional enthaltenen Bindemittel vorliegen. Sind in dem Faserverbundbauteil mehrere Körper und/oder mehrere Verstärkungs elemente verbaut, gehen in die Berechnung der maßgeblichen Volumenanteile sämtliche Körper, sämtliche Verstärkungselemente und sämtliche auf Pasten zurückgehenden Bereiche ein.

Der Körper und/oder das Verstärkungselement und/oder der Körper und das mit dem Körper verbundene Verstärkungselement können durch chemische Gasphasen infiltration (CVI) und/oder durch Infiltration mit carbonisierbarer Substanz und anschließender Carbonisierung verdichtet werden (sogenannte „Verdichtung“). Es kann also eine Verdichtung des Körpers erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Verdichtung des Verstärkungselements erfolgen. Außerdem ist eine Verdichtung des nach Schritt c) erhaltenen, mit dem Körper verbundenen Verstärkungselements möglich. Eine Verdichtung kann mehrmals nacheinander erfolgen, jedoch vorzugsweise nicht öfter als 5-mal, da dies die Verfahrenskosten zu sehr steigern würde. Die Verdichtung durch CVI kann dabei jeweils z.B. so erfolgen, wie in WO 2019/063831 A2 beschrieben.

Unter Carbonisierung wird hierin eine Pyrolyse in nicht oxidierender Atmosphäre, z.B. in N2-Atmosphäre, verstanden. Als carbonisierbar wird jede Substanz bezeichnet, die sich in ^-Atmosphäre beim Erhitzen in einen Rückstand zersetzen lässt, dessen Massenanteil an Kohlenstoff höher ist, als in der Substanz. Dies wird getestet, indem man einen Milliliter der Substanz in N2-Atmosphäre mit einer Heizrate von 1 K/Minute bis auf 900 °C erhitzt und die Probe dann weitere 10 Minuten unter N2-Atmospäre auf 900 °C hält. Den Massenanteil an Kohlenstoff bestimmt man vor und nach dem Erhitzen jeweils durch Elementaranalyse. Beispiele carbonisierbarer Substanzen, die vorteilhaft zur Infiltration eingesetzt werde können, sind Phenolharze, Furanharze, Benzoxazinharze, Bismaleinimidharze, Zucker (vorliegend als mindestens einen Zucker enthaltende Lösung), Pech und deren Gemische. Die Verdichtung steigert nicht nur die Dichte, sondern auch die Festigkeit. Sie senkt die Porosität und schließt Risse, Fehlstellen werden also reduziert.

Spätestens in Schritt c) wird das entstehende Faserverbundbauteil in der Regel sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass die schon weiter oben erwähnten Spannungsgradienten und mechanischen Spannungen auftreten. Diese entstehen, da das Volumen und die Ausdehnung von Körper und Verstärkungselement sich beim Erhitzen verändern und dies bei Körper und Verstärkungselement nicht in gleichem Umfang erfolgt. Es überlagern sich eine im Wesentlichen reversible Wärmeausdehnung mit einem irreversiblen Schrumpfen. Das Schrumpfen ist auf die Pyrolyse von Bestandteilen von Körper und Verstärkungselement zurückzuführen. Spannungsgradienten und mechanischen Spannungen können immer dann in besonders starkem Maße auftreten, wenn thermischer Ausdehnungskoeffizient und Schrumpf der zu verbindenden oder schon verbundenen Teile (Körper und Verstärkungselement) sich stark unterscheiden. Ist der Körper in Schritt a) bereitgestellte Körper graphitbasiert, z.B. hergestellt aus oder teilweise aus Graphitpulver, dann minimiert sich der Schrumpf des Körpers und somit die mechanischen Spannungen, da in der Regel der Körper stärker schrumpft, als das Verstärkungselement. Alternativ kann der Körper vor dem Fügen bei hoher Temperatur vorbehandelt werden oder bei der additiven Fertigung ein hochtemperaturbehandelter Körper verwendet werden. Nach Schritt c) kann eine (zusätzliche) Verdichtung des Verbundbauteils erfolgen. Auch das Verbundbauteil kann durch chemische Gasphaseninfiltration (CVI) und/oder durch Infiltration mit carbonisierbarer Substanz und anschließender Carbonisierung verdichtet werden. Dadurch lässt sich die Porosität des erfindungsgemäßen Bauteils gezielt einstellen.

Vorzugsweise erfolgt nach der Verdichtung eine Hochtemperaturbehandlung (sogenannte „Graphitierung“) bei mindestens 1600 °C, insbesondere bei 1600 bis 3000 °C, z.B. bei 1700 bis 2400 °C. Dadurch wird die Reinheit gesteigert, da von Kohlenstoff verschiedene Elemente bei so hohen Temperaturen ausgetrieben werden. Folglich steigt zugleich die Formstabilität bei sehr hohen Temperaturen. Das Bauteil eignet sich dann viel besser für den Einsatz bei Temperaturen von > 900 °C.

Wenn SiC-Partikel oder SiC Fasern zugegen sind, wird eine Temperatur von 2200 °C nicht überschritten, um keine nennenswerte Zersetzung von SiC zu bewirken.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliches Faserverbundbauteil, insbesondere durch ein Faserverbundbauteil aufweisend einen Körper und ein faserhaltiges Verstärkungselement, wobei der Körper und das Verstärkungselement durch Kohlenstoff zwischen Verstärkungselement und Körper verbunden sind, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, oder durch ein Faserverbundbauteil aufweisend einen Körper, der von Fasern frei ist oder keine Fasern mit einer Länge von mehr als 0,5 mm umfasst und ein faserhaltiges Verstärkungselement, das Fasern mit einer mittleren Länge von mehr als 1 mm umfasst, wobei der Körper und das Verstärkungselement durch Kohlenstoff zwischen Verstärkungselement und Körper verbunden sind, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. In erfindungsgemäßen Bauteilen kann das Verhältnis vom Volumen des Verstärkungselements oder der Verstärkungselemente zum gesamten Volumen des Bauteils in breiten Bereichen variieren. Für bestimmte Bauteile/zu bestimmten Verwendungen können sehr kleine Verstärkungselemente ausreichen. Hingegen können bei anderen Bauteilen/für bestimmte Verwendungen sehr große Verstärkungselemente erforderlich sein. Im Allgemeinen beträgt das Volumenverhältnis von Verstärkungselement(en) zum gesamten Volumen des erfindungsgemäßen Bauteils 0,01 bis 0,5, bevorzugt 0,05 bis 0,25, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,2.

Der Faservolumenanteil im faserhaltigen Verstärkungselement beträgt vorzugsweise mindestens 20 Volumen-%, insbesondere mindestens 50 Volumen-%. Dies lässt sich im Schliffbild optisch bestimmen. Dazu schneidet man ein erfindungsgemäßes Bauteil einschließlich Verstärkungselement durch, schleift die beim Durchschneiden erhaltenen Schnittoberflächen ab und bestimmt visuell (z.B. mit einem Mikroskop), welchen Anteil die von Fasern eingenommenen Bereiche der Verstärkungselement-Schnittoberflächen an den gesamten Verstärkungselement-Schnittoberflächen einnehmen. Sind die Fasern innerhalb des Verstärkungselements nicht vollkommen homogen verteilt, so wird das Bauteil mehrfach durchschnitten und es werden sämtliche Verstärkungselement- Schnittoberflächen in die Bestimmung des Faservolumenanteils mit einbezogen. Es wurde schon oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, dass die Herstellung des Faserverbundbauteils unter Verwendung von formbaren Verstärkungselementen, wie z.B. Harz-Faser-Masse, erfolgen kann. Insbesondere solche Massen führen häufig zu erfindungsgemäßen Bauteilen mit ausgedehnten faserfreien, auf Harz zurückgehenden Verstärkungselementbereichen und mit dementsprechend geringem Faservolumenanteil.

Durch die Obergrenze bei der Länge der Fasern, die der Körper umfassen kann, wird gewährleistet, dass der Körper in besonders einfacher weise durch additive Fertigung, z.B. Binder Jetting, erzeugt werden kann. Fasern oberhalb einer gewissen Länge sind in additiven Fertigungsverfahren schwer mitzuverarbeiten. Vorzugsweise ist der Körper von Fasern frei oder umfasst Fasern die die Dimensionen der Partikel aus denen der Körper gebildet ist, nicht überschreiten, z.B. umfasst er keine Fasern mit einer Länge von mehr als 0,4 mm, insbesondere keine Fasern mit einer Länge von mehr als 0,3 mm.

Das faserhaltige Verstärkungselement ist vorzugsweise ein carbonfaserhaltiges oder siliziumcarbidfaserhaltiges Verstärkungselement, besonders bevorzugt ein carbonfaserhaltiges Verstärkungselement. Dies bewirkt eine hohe Schlagzähigkeit, pseudoduktiles Bruchverhalten, hohe Festigkeit, niedrige Dichte, gute Temperatur- und Korrosionsstabilität und zugleich ein inertes Verhalten gegenüber vielen hochkorrosiven Chemikalien, insbesondere Säuren, z.B. HCl. Letztlich führt dies zu einer sehr vielseitigen Verwendbarkeit erfindungsgemäßer Bauteile, wobei die Lebensdauer konventioneller Bauteile teils deutlich überschritten wird. Eine Reihe möglicher Verwendungen sind unten angegeben.

Vorzugsweise umfasst das faserhaltige Verstärkungselement ein Gewebe, ein Spiralgewebe, ein multiaxiales Gelege, ein unidirektionales Gelege, Kurzschnittfasern, Endlosfaser, ein Vlies, einen Filz, ein Papier, ein Geflecht, ein Gestrick, ein Gestick und/oder ein Fasergitter. Gestricke sind elastisch und dadurch gut drapierbar. Geflechte und Gestricke sind bevorzugt Schläuche und lassen sich somit gut zur Außenver stärkung des Körpers verwenden. Endlosfaser umfassende Verstärkungselemente werden z.B. hergestellt indem ein Towpreg um den Körper gewickelt wird oder indem der Körper mit Fasern umflochten wird.

Erfindungsgemäß weist das Faserverbundbauteil ein faserhaltiges Verstärkungs element auf, das Fasern mit einer Länge von mehr als 1 mm umfasst. Vorgenannte faserhaltige Verstärkungselemente wie z.B. Gelege, Vliese, Filze, Papiere, Geflechte, Gestricke, Gesticke oder Fasergitter enthalten regelmäßig Fasern mit einer Länge von weit mehr als 1 mm. Das Faserverbundbauteil kann ein faserhaltiges Verstärkungselement aufweisen, das Fasern mit einer mittleren Länge von mehr als 0,5 cm, z.B. von mehr als 1 cm, insbesondere von mehr als 2 cm umfasst. Mit kürzeren Fasern lassen sich Gelege, Geflechte, Gestricke, Gesticke oder Fasergitter nur mit erhöhtem Aufwand verwirklichen. Gerade bei Kurzschnittfasern, Vliesen, Filzen oder Papieren sind jedoch auch kurze Fasern möglich.

Ein bevorzugtes Faserverbundbauteil enthält mindestens 85 Gew.-% Kohlenstoff, insbesondere mindestens 88 Gew.-% Kohlenstoff, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-% Kohlenstoff, ganz besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-% Kohlenstoff, z.B. mindestens 97 Gew.-% Kohlenstoff. Dieser Anteil bezieht sich auf das Bauteil insgesamt, einschließlich Verstärkungselement und Körper. Er wird durch Elementaranalyse bestimmt. Im Allgemeinen ist der Körper dann aus Kohlenstoffpartikeln additiv gefertigt, der bei der additiven Fertigung eingesetzte Binder weitgehend carbonisiert und das Verstärkungselement enthält Carbonfasern.

Der Körper kann Graphitpartikel umfassen. Dies bewirkt eine weitere Steigerung der Hochtemperaturstabilität des erfindungsgemäßen Bauteils. Darüber hinaus steigen thermische und chemische Stabilität (Korrosionsbeständigkeit sowie Oxidations stabilität). Die Wärmeleitung und Gleiteigenschaften werden gesteigert.

Hinsichtlich der Form der verbundenen Oberflächenbereiche von Verstärkungselement und Körper bestehen keine Einschränkungen. Der Körper kann formschlüssig mit dem Verstärkungselement verbunden sein. Dies bewirkt eine zusätzliche Steigerung der Stabilität der Verbindung zwischen den Teilen des Faserverbundbauteils, also zwischen Verstärkungselement und Körper. Mindestens eines der Teile (z.B. der Körper) kann eine Hinterschneidung aufweisen, in die der andere Teil (z.B. das Verstärkungselement) formschlüssig eingreift, z.B. in Form einer Schwalbenschwanzverbindung. Dies ist im Zusammenhang mit der Erfindung sehr effektiv, da die additive Fertigung für die Herstellung von Hinterschneidungen besonders gut geeignet ist. Der in Schritt a) bereitgestellte Körper kann also eine Hinterschneidung aufweisen. Ein formbares Verstärkungselement kann beim Anbringen z.B. durch Pressen in Formschluss mit der Hinterschneidung gebracht werden und dann formschlüssig ausgehärtet werden.

Der Körper oder das Verstärkungselement kann eine Ausnehmung aufweisen, in die das (gesamte) Verstärkungselement oder der Körper aufgenommen ist. Dies verhindert ein Verkippen, Verrutschen und Delaminieren. Das Verstärkungselement oder der Körper beeinflusst dann zudem die Außengeometrie des Körpers oder des Verstärkungselements nicht. Die Oberfläche wird nicht beeinflusst, was z.B. bei einem Pumpenbauteil, z.B. Pumpenlaufrad, von großem Vorteil sein kann.

Mittels additiver Fertigung kann der Körper in unterschiedlichsten Formen bereitgestellt werden, so dass jede erdenkliche Faserverbundbauteilgeometrie möglich ist. Ausnehmungen für faserhaltige Verstärkungselemente und/oder Hinterschneidungen können dabei an jeder beliebigen Stelle vorgesehen werden. Je nach Bauteil und dessen bestimmungsgemäßer Verwendung ergeben sich besonders hohe mechanische Belastungen immer an ganz bestimmten Stellen, an denen die faserhaltigen Verstärkungselemente gezielt angeordnet werden können. So erhält man ein Bauteil, das den zu erwartenden Belastungen (mechanisch und thermisch) in jedem Bauteilbereich gerecht wird und zugleich besonders günstig hergestellt werden kann. Das Verstärkungselement kann dort am Körper angeordnet sein, wo dieser eine Aufnahme für ein Befestigungselement (z.B. Schraube) aufweist. So kann verhindert werden, dass die auf das Befestigungselement wirkenden Kräfte zu einem Herausbrechen von Teilen des Körpers im Bereich der Aufnahme führen.

Bevorzugte erfindungsgemäße Faserverbundbauteile weisen ein pseudoduktiles Bruchverhalten auf. Dies bedeutet, dass sich mit erfindungsgemäßen Faserverbundbauteilen im 3-Punkt Biegeversuch eine Spannungs-Dehnungs-Kurve bestimmen lässt, die nach einem ersten, auf die linear-elastische Verformung des Bauteils zurückgehenden Anstieg nicht abrupt beim ersten Schaden auf 0 fällt. Es kommt beim ersten Schaden am Bauteil nicht gleich zu einem abrupten Versagen.

Hingegen würde z.B. der Körper ohne faserhaltiges Verstärkungselement am Ende der linear-elastischen Verformung brechen, wobei sich im 3-Punkt Biegeversuch dann eine Spannungs-Dehnungs-Kurve ergibt, die nach einem ersten, auf die linear-elastische Verformung des Bauteils zurückgehenden Anstieg, abrupt auf 0 fällt.

Ein solches abruptes Abfallen der Spannungs-Dehnungs-Kurve auf 0 erfolgt mit erfindungsgemäßen Bauteilen nicht, da das mit dem Körper verbundene faserhaltige Verstärkungselement ein plötzliches vollständiges Materialversagen verhindert. Auch nach einem initialen Riss im Köper des erfindungsgemäßen Bauteils ist wegen des Verstärkungselements für eine weitere Verformung ein weiterer Kraftaufwand erforderlich. Das pseudoduktile Bruchverhalten verleiht dem Faserverbundbauteil eine ausgeprägte Schadenstoleranz.

Der 3-Punkt Biegeversuch kann z.B. durchgeführt werden in Anlehnung an ISO 178:2013 mit Auflagerradius: 3mm, Stempelradius: 3mm, Stützweite : 80 mm, mit einer Prüfgeschwindigkeit von 2 mm/min.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung erfindungsgemäßer Faserverbundbauteile als Bremsscheibe und Bremsbelag für Flugzeuge oder Rennsportfahrzeuge und Industriebremsen, als Kupplungsscheibe, als Düse, als Ventilatorrad, als Tiegel, als Heizer, als Gleitring, als Lager, als Pumpenbauteil, z.B. Pumpenlaufrad, als Einbauten für Kolonnen; z.B. Kolonnenboden, als Schleifscheibe, als Prozesshilfsmittel für Härteprozess, Lötprozess, Beschichtungsprozess, Brennprozess, Umformprozess, als Chargierhilfsmittel und Transporthilfsmittel, als Urformungshilfsmittel (z.B. als Gussform), wobei jedes der Hilfsmittel z.B. mindestens eine Ausnehmung zur formschlüssigen Aufnahme mindestens eines Werkstücks aufweisen kann. Prozesshilfsmittel für Härteprozess, Lötprozess, Beschichtungsprozess, Brennprozess und Umformprozess eignen sich erfindungsgemäße Bauteile wegen deren hoher Formstabilität bei hoher Temperatur. Hervorzuheben ist, dass dabei im Wesentlichen keine Mehrkosten für komplexe Geometrien entstehen. Die komplexe Struktur kann gedruckt werden. Außerdem bietet die Erfindung eine höhere Sicherheit bei rotierenden Bauteilen sowie eine höhere Schadenstoleranz beim Arbeiten mit Prozesshilfsmitteln. Mittels additiver Fertigung können Standard CFC Teile, aus denen z.B. Chargiergestelle bestehen können, an spezielle komplexe Formbedürfnisse angepasst werden. Zudem entsteht viel weniger Verschnitt, als bei konventioneller Fertigung von z.B. Lüftungsstrukturen, Aussparungen, Kanälen. Durch die Möglichkeit des zielgerichteten Einsatzes von Fasern an den mechanisch am stärksten belasteten Stellen gelingt eine besonders effiziente Fertigung, weil Fasern teurer sind als die für die additive Fertigung benötigen Ausgangsstoffe. Eine weitere Effizienzsteigerung entsteht durch die Endkonturnähe der additiven Fertigung. Dies verringert den Nachbearbeitungsaufwand. Außerdem ist wegen der additiven Fertigung kein oder nur ein reduzierter Formenbau zur Herstellung komplexer Geometrien nötig.

Bei schnellen Rotationen rotierender Bauteile wirken starke Fliehkräfte, die zum Bruch des Körpers führen können. Außerdem droht bei rotierenden Bauteilen die Gefahr von Folgeschäden an umgebenden Bauteilen, denn vollständig abgebrochene Teile können durch Rotationsbewegungen weggeschleudert werden. Außerdem kann die infolge des Bruchs auftretende Unwucht zu Folgeschäden führen. All dem wirkt die Erfindung effizient entgegen. Bei Kolonneneinbauten wird eine Verschmutzung der Kolonne mit Bruchstücken verhindert, da das faserhaltige Verstärkungselement das vollständige Abbrechen von Teilen der Einbauten verhindert.

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Figuren und Ausführungsbeispiele illustriert, ohne auf diese beschränkt zu sein.

Figuren

Figur 1A zeigt ein Sandwichbauteil mit flächigem Verstärkungselement zwischen zwei flächigen, 3D gedruckten Körpern Figur 1 B zeigt ein Sandwichbauteil mit flächigem, 3D gedrucktem Körper zwischen zwei flächigen Verstärkungselementen Figur 1C zeigt ein Sandwichbauteil mit flächigem Verstärkungselement zwischen zwei flächigen, mit Paste angebrachten 3D gedruckten Körpern Figur 1 D zeigt ein Mehrlagenbauteil in dem flächige, 3D gedruckte Körper und flächige Verstärkungselemente abwechselnd übereinander angeordnet sind, Figur 1 E zeigt ein Sandwichbauteil, bei dem der flächige 3D gedruckte Körper eine durchgängige Ausnehmung aufweist, durch welche die beiden flächigen

Verstärkungselemente miteinander verbunden sind.

Figur 2A zeigt ein Bauteil, bei dem der Körper mehrere Ausnehmungen zur

Aufnahme je eines Verstärkungselements aufweist Figur 2B zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 2A entlang der gestrichelten Linie Figur 2C zeigt ein Bauteil, bei dem der Körper zu einem Gitter verbundene Ausnehmungen zur Aufnahme eines gitterförmigen Verstärkungselements aufweist Figur 2D zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 2C entlang der gestrichelten Linie

Figur 2E zeigt einen Schnitt durch einen Mehrlagenbauteil aus drei Lagen von Bauteilen aus Figur 2A oder 2B

Figur 2F zeigt ein Bauteil, bei dem der Körper eine Vielzahl zylindrischer

Ausnehmungen aufweist, zur Aufnahme je eines Verstärkungselements Figur 2G zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 2F entlang der gestrichelten Linie

Figur 3A zeigt ein Bauteil mit scheibenförmigem Körper, der von einem ringförmigen Verstärkungselement umgeben ist Figur 3B zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 3A entlang der gestrichelten Linie

Figur 3C zeigt ein Bauteil mit scheibenförmigem Körper, wobei ein ringförmiges Verstärkungselement in eine umlaufende Nut aufgenommen ist Figur 3D zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 3C entlang der gestrichelten Linie

Figur 4A zeigt eine Aufsicht auf ein Bauteil mit einem nach oben offenem Körper, der verfüllt ist mit einem aus einer faserhaltigen Schüttung erhältlichen Verstärkungselement

Figur 4B zeigt einen Schnitt durch das Bauteil der Figur 4A entlang der gestrichelten Linie mit Deckel Figuren 5A,B und C zeigen Schnitte von Körpern, deren komplex geformte Oberfläche mit einem Verstärkungselement überzogen sind Figuren 6A, B zeigen Bauteile, in denen schwalbenschwanzförmige Verstärkungselemente in mindestens einer Nut aufgenommen sind.

Figure 7A, B zeigen Bauteile, bei denen der 3D gedruckte Körper eine Kanalstruktur enthält, wie sie z.B. zur Kühlung verwendet werden kann. Figuren 8A, B zeigen ein Bauteil, bei dem komplexe 3D gedruckte Körper in eine faserverstärkte Grundplatte gefügt sind. Figur 8A zeigt einen Schnitt, Figur 8B zeigt eine Aufsicht auf das Bauteil.

Figur 9 zeigt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve aus einem 3-Punkt Biegeversuch.

In Figur 1A bis E sind erfindungsgemäße Bauteile in Form von Sandwichstrukturen aus flächigen Verstärkungselementen 2 und flächigen, 3D gedruckten Körpern 1 gezeigt. Solche Sandwichstrukturen werden durch Verpressen hergestellt. Anschließend wird der verbindende Kohlenstoff zwischen Verstärkungselement und Körper erzeugt, z.B. durch Carbonisierung von Fügebindemittel. Die Art des jeweils zu bevorzugenden Verstärkungselements 2 hängt dabei von der Geometrie des Bauteils (Verstärkungselement basierend auf Bahnware bei rechteckigen Strukturen oder Spiralgewebe bei runden Strukturen) sowie dem späteren Lastverlauf (unidirektionale, multiaxiale Gelege, Gewebe oder planar isotrope Vliese) ab.

In den Bauteilen der Figuren 1 A, B, D und E wird bei der Herstellung ein nicht ausgehärtetes, harzhaltiges und damit formbares Verstärkungselement 2 eingebracht. Als formbares Verstärkungselement kann zur Herstellung der Bauteile der Figuren 1 A,

B und D, E z.B. ein Prepreg verwendet werden. Dabei wirkt das im Prepreg enthaltene Harz als Fügebindemittel und sorgt für eine stoffschlüssige Verbindung von Körper 1 und Verstärkungselement 2.

Das Bauteil der Figur 1C ist unter Verwendung von zusätzlichem Fügebindemittel hergestellt. Als Fügebindemittel wird eine Kohlenstoff- und/oder Siliziumcarbidpartikel enthaltende Paste verwendet. Das Fügebindemittel wird an den Grenzflächen zwischen Körper und Verstärkungselement aufgetragen. Eine solches Fügebindemittel kann insbesondere bei starren Verstärkungselementen nötig sein, um das Verstärkungs element 2 fest am Körper 1 anzubringen. Durch Carbonisierung entsteht das erfindungsgemäße Bauteil, wobei im Fügebindemittelbereich 3 verbindender Kohlenstoff gebildet wird.

Es sind beliebige Lagenfolgen möglich, bei denen das Verstärkungselement 2 zwischen 3D gedruckten Körpern 1 eingebettet ist (1 A, 1C) oder ein 3D gedruckter Körper 1 zwischen Verstärkungselementen 2 eingebettet ist (1 B). Des Weiteren sind Multilagen strukturen mit verschiedener Lagenabfolge möglich (1 D). Solche Mehrlagenstrukturen lassen sich mit starren oder formbaren Verstärkungselementen 2 realisieren, wobei insbesondere bei der Verwendung von starren Verstärkungselementen 2 das zusätzliche Fügebindemittel aufgebracht wird, so dass eine feste Anbringung des starren, von nicht ausgehärtetem Bindemittel im Wesentlichen freien Verstärkungs element 2 am Körper ermöglicht wird. Die äußersten Lagen können wahlweise auf 3D gedruckte Körper 1 zurückgehen oder Verstärkungselemente 2 sein. Eine durchgängige Ausnehmung im 3D gedruckten Körper 1 ermöglicht die Verbindung zweier beidseitig aufgebrachter, formbarer Verstärkungselemente 2 und somit eine zusätzliche formschlüssige Fixierung der Verstärkungselemente 2 am 3D gedruckten Körper 1 (Figur 1 E).

In Figur 2A bis G sind erfindungsgemäße Bauteile gezeigt, bei denen der/die Körper 1 Ausnehmungen aufweisen, in die Verstärkungselemente 2 aufgenommen sind. Die Herstellung kann wahlweise mit starren oder formbaren Verstärkungselementen 2 erfolgen. Formbare, nicht ausgehärtetes Harz enthaltende Verstärkungselemente 2 (z.B. Harz-Faser-Masse) können in die Ausnehmungen hineingepresst werden. Starre Verstärkungselemente 2 werden mittels zusätzlichem Fügebindemittel in den Ausnehmungen fixiert, wobei die auf Fügebindemittel zurückgehenden Zwischen bereiche in Figuren 2A bis G nicht angedeutet sind. Anschließend wird das erfindungsgemäße Bauteil durch Umsetzung von Fügebindemittel zu verbindendem Kohlenstoff (Carbonisierung des Fügebindemittels) erhalten. In das Bauteil der Figuren 2A, B können zum Beispiel Faserstäbe mittels Fügebindemittel eingelegt werden. In das Bauteil der Figuren 2C, D kann ein gitterförmiges Verstärkungselement eingefügt werden, z.B. ein Fasergitter.

In Figur 2E ist ein Schnitt durch einen Mehrlagenbauteil aus drei Lagen von Bauteilen aus Figur 2A oder 2C gezeigt. Zum Verbinden der drei Lagen kann ebenfalls ein Fügebindemittel verwendet werden.

Im Bauteil der Figuren 2 F, G sind die Ausnehmungen innenliegend, also ringsum von Körper 1 umgeben. In die Ausnehmungen kann ein formbares Verstärkungselement 2 (z.B. eine Harz-Faser-Masse) eingepresst werden oder ein starres Verstärkungs element 2 eingeschoben werden. Zum Fügen mit starren Verstärkungselementen 2 können die Ausnehmungen zunächst mit Fügepaste befüllt und anschließend das Verstärkungselement 2 eingeschoben werden. Es sind Ausnehmungen mit rundem Querschnitt gezeigt, wobei genauso gut auch Ausnehmungen und Verstärkungs elemente 2 mit beliebigem, z.B. rechteckigem oder quadratischem Querschnitt denkbar wären.

In Figuren 3A bis D sind erfindungsgemäße Bauteile mit scheibenförmigen Körper 1 und ringförmigem Verstärkungselement 2 gezeigt. Der scheibenförmige Körper 1 kann vom ringförmigen Verstärkungselement 2 umgeben sein (Figuren 3A, B). Alternativ kann das Verstärkungselement 2 auch in eine umlaufende Nut des Körpers aufgenom men sein (Figuren 3C, D). Das Verstärkungselement 2 kann dabei als starrer Ring (z.B. ein Wickelrohr aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff) mittels Fügepaste an den scheibenförmigen Körper angebracht (Figuren 3A, B) oder in diesen eingebracht (Figuren 3C, D) sein. Alternativ kann insbesondere zur Herstellung des Bauteils der Figuren 3C, D ein formbares Verstärkungselement (z.B. eine Harz-Faser-Masse) verwendet werden, die in die Nut eingepresst wird. Zur Herstellung des Bauteils der Figuren 3A, B kann der scheibenförmige Körper alternativ mit einem harzimprägnierten Faserstrang oder einem vorimprägnierten Textil umwickelt oder ein Rundgestrick aufgezogen werden, das anschließend mit Fügebindemittel imprägniert wird. Unabhängig von der Art der Anbringung des Verstärkungselements am Körper können erfindungsgemäße Bauteile durch anschließende Carbonisierung erzeugt werden.

In Figuren 4A, B ist ein Bauteil gezeigt, bei dem ein nach oben offener Körper 1 mit einem aus einer faserhaltigen Schüttung erhältlichen Verstärkungselement 2 verfüllt ist. Ein solches Bauteil wird hergestellt, indem der Hohlraum eines 3D gedruckten Körpers mit Faser-Harz-Masse verfüllt wird. Im Anschluss wird die Masse mit einem Press stempel oder durch Vakuumsackverfahren verpresst und gegebenenfalls nochmals Faser-Harz-Masse nachgefüllt. Ist der ganze Hohlraum befüllt, wird der Körper mit einem passenden Deckel 4 verschlossen. Hierzu kann ein Fügebindemittel verwendet werden.

In Figuren 5A und 5B ist der Körper 1 allseitig mit Verstärkungselement 2 überzogen, in Figur 5C ist nur eine Seite des Körpers 1 mit Verstärkungselement 2 überzogen. Zum überziehen komplexer Oberflächen wird die zu verstärkende Oberfläche mit einem harzhaltigen Verstärkungselement 2 belegt (z.B. Prepreg oder Harz-Faser-Masse) und anschließend mittels Vakuumsackverfahren stoffschlüssig verbunden. Das Auflegen des Verstärkungselements 2 kann manuell, mit Hilfe eines Roboters oder mittels Faserspritzen erfolgen. Im Fall von Figur 5C kann der Stoffschluss, insbesondere bei größerer Stückzahl, auch mittels eines speziell geformten Pressstempels erzielt werden.

In den Bauteilen der Figuren 6A, B hat der Körper 1 Hinterschneidungen, in die das Verstärkungselement 2 formschlüssig eingreift, hier beispielhaft in Form einer Schwalbenschwanzverbindung. Es können auch andere Formen mit Hinterschneidung verwendet werden.

In Figuren 7A, B umfasst der 3D gedruckte Körper 1 Kanäle 6. Sie können zur Kühlung des Bauteils und zur Gewichtsreduktion dienen. Durch die Verwendung eines 3D Druck Verfahrens zur Herstellung des Körpers 1 lassen sich vielfältige, komplexe Strukturen darstellen. Die Einbringung von Kanälen 6 ist grundsätzlich bei allen erfindungsgemäßen Bauteilen möglich. Die Kanäle können ein- oder beidseitig offen sein.

In Figuren 8A und B ist ein erfindungsgemäßes Bauteil gezeigt, bei dem 3D gedruckte Körper 1 mit einer als faserhaltiges Verstärkungselement 2 fungierenden, faserverstärkten Grundplatte verbunden sind. Durch den 3D Druck ist eine hohe Designfreiheit möglich und es können auch komplexe Geometrien hergestellt werden. Solche Strukturen werden z.B. als Prozess-, Chargier- und Transporthilfsmittel verwendet. Mittels 3D Druck können passgenaue Bauteilaufnahmen, z.B. für Zahnräder, wie hier angedeutet, hergestellt werden, in denen die Bauteile sicher und ohne verrutschen prozessiert werden können.

Der Graph in Figur 9 zeigt eine Spannungs-Dehnungs-Kurve eines Biegeversuchs an einem erfindungsgemäßen faserverstärkten Bauteil, dessen Herstellung im Ausführungsbeispiel beschrieben ist.

Bezugszeichenliste

1 Körper

2 faserhaltiges Verstärkungselement

3 Fügebindemittelbereich

4 Deckel

6 Kanal

Ausführungsbeispiel

Sandwichaufbau aus einem plattenförmigen 3D gedrucktem Körper (100x100x2mm³) und Verstärkungselement das in Form eines Phenolharzprepregs (aus isotropem Carbonfaservlies mit 450 g/m²) am Körper angebracht wurde. Der Körper wurde mittels Binder Jet Verfahren aus Kohlenstoffpulver und Phenolharzbinder hergestellt. Die Herstellung eines solchen Körpers ist z.B. genauer in WO 2017/089499 beschrieben. Auf beide Seiten des Körpers wurde je eine Lage Prepreg aufgelegt und mit 7,5 bar bei Maximaltemperatur 170 °C verpresst. Nach der Aushärtung wurde das Material bei 900 °C carbonisiert und im Anschluss noch drei Mal nachverdichtet, d.h. mit Phenolharz imprägniert und bei 900 °C carbonisiert. Zusätzlich wurde eine Referenzprobe herge stellt, bei der die gleichen Prozessschritte angewandt wurden, jedoch kein Verstärkungselement an den Körper angebracht wurde.

Aus den so hergestellten Platten wurden Biegeproben herausgearbeitet (100 mm x 10 mm x 4 mm) und mittels 3-Punkt-Biegeversuch untersucht. Die faserverstärkten Proben zeigten in der Biegekurve eine deutlich höhere Festigkeit von 80 MPa und eine Dehnung bei Bruch von über 0,5% ganz im Gegensatz zum klassischen keramischen Sprödbruchverhalten der unverstärkten Vergleichsproben, die eine Biegefestigkeit von weniger 10 MPa erreichte. Eine exemplarische Biegekurve einer erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils ist in Figur 9 dargestellt.

Der 3-Punkt Biegeversuch wurde durchgeführt in Anlehnung an ISO 178:2013 mit Auflagerradius: 3mm, Stempelradius: 3mm, Stützweite: 80 mm, mit einer Prüfgeschwindigkeit von 2 mm/min.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Körpers, welcher mittels additiver Fertigung hergestellt worden ist, b) Anbringen eines faserhaltigen Verstärkungselements am Körper, und c) Erzeugen verbindenden Kohlenstoffs zwischen Verstärkungselement und Körper.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt b) das Anbringen ohne Stoffschluss erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei in den Körper und das daran angebrachte Verstärkungselement eine carbonisierbare Substanz infiltriert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in Schritt b) das Anbringen stoffschlüssig mit einem carbonisierbaren Fügebindemittel erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei in Schritt c) der verbindende Kohlenstoff durch Carbonisierung der Substanz oder des Fügebindemittels erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei mindestens ein Teil des Fügebindemittels vor dem Anbringen auf mindestens eine Oberfläche des Verstärkungselements und/oder des Körpers aufgetragen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der in Schritt a) bereitgestellte Körper ein kohlenstoffbasierter und/oder keramischer, z.B. siliziumcarbidbasierter oder borcarbidbasierter Körper ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der in Schritt a) bereitgestellte Körper mittels Binder Jetting oder Pastenextrusion hergestellt worden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Körper und/oder das Verstärkungselement und/oder der Körper und das mit dem Körper verbundene Verstärkungselement durch chemische Gasphaseninfiltration (CVI) und/oder durch Infiltration mit carbonisierbarer Substanz und anschließender Carbonisierung verdichtet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei nach der Verdichtung eine Hochtemperaturbehandlung bei mindestens 1600 °C erfolgt.

11 . Faserverbundbauteil aufweisend einen Körper und ein faserhaltiges Verstärkungselement, wobei der Körper und das Verstärkungselement durch Kohlenstoff zwischen Verstärkungselement und Körper verbunden sind, hergestellt nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 10.

12. Faserverbundbauteil nach Anspruch 11 , wobei das faserhaltige Verstärkungselement ein carbonfaserhaltiges oder siliziumcarbidfaserhaltiges Verstärkungselement ist.

13. Faserverbundbauteil nach Anspruch 11 oder 12, wobei das faserhaltige Verstärkungselement ein Gewebe, ein Spiralgewebe, ein multiaxiales Gelege, ein unidirektionales Gelege, Kurzschnittfasern, Endlosfaser, ein Vlies, einen Filz, ein Papier, ein Geflecht, ein Gestrick, ein Gestick und/oder ein Fasergitter umfasst.

14. Faserverbundbauteil nach Anspruch 11 , wobei der Faservolumenanteil im faserhaltigen Verstärkungselement mindestens 20 Volumen-% beträgt.

15. Faserverbundbauteil nach Anspruch 11 , aufweisend ein pseudoduktiles Bruchverhalten.

16. Verwendung des Faserverbundbauteils nach einem der Ansprüche 11 bis 15

- als Bremsscheibe und Bremsbelag für Flugzeuge oder Rennsportfahrzeuge und Industriebremsen,

- als Kupplungsscheibe,

- als Düse,

- als Ventilatorrad,

- als Tiegel,

- als Heizer,

- als Gleitring,

- als Lager,

- als Pumpenbauteil,

- als Einbauten für Kolonnen,

- als Schleifscheibe,

- als Prozesshilfsmittel für Härteprozess, Lötprozess, Beschichtungsprozess, Brennprozess, Umformprozess,

- als Chargierhilfsmittel und Transporthilfsmittel oder

- als Urformungshilfsmittel.