DE102007003357A1 - Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem Faserverbundmaterial - Google Patents

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Jürgen Schenk
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials (10) mit einem Faserverbundmaterial (11), wobei das thermoplastische Material (10) mit dem Faserverbundmaterial (11) verschweißt wird. Bevorzugt werden das thermoplastische Material (10) und das Faserverbundmaterial (11) durch Bewegungsschweißen und/oder durch Induktionsschweißen miteinander verschweißt. Es ist weiter bevorzugt, dass während des bevorzugten Bewegungsschweißens das thermoplastische Material (10) und das Faserverbundmaterial (11) relativ zueinander so bewegt werden, dass das thermoplastische Material (10) angeschmolzen und das Faserverbundmaterial (11) erwärmt wird. Zudem ist es bevorzugt, dass zum bevorzugten Induktionsschweißen ein elektrisch leitfähiges Material in einem Verbindungsbereich zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial angeordnet wird und dass in dem elektrisch leitfähigen Material eine Induktionswärme erzeugt wird, die ausreichend ist, das thermoplastische Material anzuschmelzen und das Faserverbundmaterial zu erwärmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem Faserverbundmaterial. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung umfassend thermoplastisches Material und Faserverbundmaterial.
  • Insbesondere im Flugzeugbau werden häufig thermoplastische Materialien mit Faserverbundmaterialien mittels einer mechanischen Befestigung, beispielsweise mittels Schrauben, oder durch Kleben befestigt. Beispielsweise werden häufig Kunststoffhalter, die thermoplastisches Material aufweisen, an Bauteilen, wie beispielsweise einer Seitenverkleidung oder einem Hatrack-Kasten, die Faserverbundmaterial aufweisen, innerhalb eines druckbelüfteten Bereichs beispielsweise innerhalb eines Kabinenbereiches eines Flugzeuges, miteinander befestigt.
  • Das Kleben von Kunststoffhaltern, die thermoplastisches Material aufweisen, an Bauteilen, die Faserverbundmaterial aufweisen, erfordert eine sehr aufwendige Vorbehandlung der Klebeflächen der Kunststoffhalter. Die Flächen müssen zunächst aufgeraut und danach mit einem Primer vorbehandelt werden. Erst nach dieser Vorbehandlung können die Kunststoffhalter mit den Bauteilen verklebt werden. Dann muss eine gewisse Zeitdauer gewartet werden, in der Regel 5 bis 8 Stunden, bis der Klebstoff ausgehärtet ist und die notwendige Anfangshaftfestigkeit aufweist. Häufig werden auch Klebstoffe verwendet, die warmaushärtend sind. Bei einer Verwendung derartiger Klebstoffe müssen die miteinander zu verbindenden Kunststoffhalter und Bauteile bis zu 48 Stunden in einem Ofen ausgehärtet werden. Das Klebeverfahren ist also sehr aufwendig und zeitintensiv. Des Weiteren weisen die Klebstoffe gesundheitsgefährdende Inhaltsstoffe auf.
  • Alternativ oder zusätzlich werden Kunststoffhalter, die thermoplastisches Material aufweisen, häufig mittels Schrauben an Bauteilen, die Faserverbundmaterial aufweisen, befestigt. Dies hat allerdings den Nachteil, dass die Größe und die Position der Bohrungen für die Schrauben bereits während der Herstellung der Kunststoffhalter und der Bauteile bekannt sein muss und dass bei einer Veränderung der Befestigungsposition in den Bauteilen und/oder in den Kunststoffhaltern neue Bohrungen eingebracht werden müssen. Dies ist für den gesamten Herstellungsprozess nachteilig.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem Faserverbundmaterial bereitzustellen, das weniger aufwendig und zeitintensiv ist als bekannte Klebeverfahren, das des Weiteren keine zusätzlichen gesundheitsgefährdenden Stoffe verwendet und das im Vergleich zu einem mechanischen Befestigen, wie beispielsweise mittels Schrauben, die Veränderung der Verbindungsposition eines thermoplastischen Materials an einem Faserverbundmaterial vereinfacht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem Faserverbundmaterial gelöst, wobei das thermoplastische Material mit dem Faserverbundmaterial verschweißt wird.
  • Durch das Verschweißen des thermoplastischen Materials mit dem Faserverbundmaterial wird die Zeit, die zum Verbinden der Materialien benötigt wird, sehr stark reduziert. Sie beträgt insbesondere nur wenige Sekunden. Zudem müssen die Materialien nicht vorbehandelt werden, und es werden keine zusätzlichen gesundheitsgefährdenden Stoffe benötigt. Des Weiteren sind keine Bohrungen in den Bauteilen und Kunststoffhaltern erforderlich, wodurch eine Veränderung von Verbindungspositionen des thermoplastischen Materials an dem Faserverbundmaterial vereinfacht wird.
  • Es ist bevorzugt, dass das thermoplastische Material mit dem Faserverbundmaterial durch Bewegungsschweißen verschweißt wird. Der Ausdruck „Bewegungsschweißen" umfasst jede Relativbewegung zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial, die im Verbindungsbereich eine Bewegungswärme erzeugt, die ausreichend ist, um das thermoplastische Material und das Faserverbundmaterial miteinander zu verschweißen. Es ist dabei weiter bevorzugt, dass während des Bewegungsschweißens das thermoplastische Material und das Faserverbundmaterial relativ zueinander so bewegt werden, insbesondere dass das thermoplastische Material relativ zum Faserverbundmaterial so bewegt wird, dass das thermoplastische Material angeschmolzen und das Faserverbundmaterial erwärmt wird. Es ist weiter bevorzugt, dass während des Bewegungsschweißens das thermoplastische Material und das Faserverbundmaterial relativ zueinander so bewegt werden, insbesondere dass das thermoplastische Material relativ zum Faserverbundmaterial so bewegt wird und das thermoplastische Material und das Faserverbundmaterial so aneinandergedrückt werden, dass das thermoplastische Material angeschmolzen und das Faserverbundmaterial erwärmt wird.
  • Durch das Bewegungsschweißen lässt sich auf eine einfache Art und Weise eine Bewegungswärme, insbesondere eine Reibungswärme, in dem Verbindungsbereich zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial erzeugen, die ausreichend ist, um beide Materialien miteinander zu verschweißen.
  • In gleicher Weise kann die Energie des Bewegungsschweißen auch zum gezielten Lösen des thermoplastischen Materials genutzt werden
  • Die Relativbewegung kann beispielsweise durch eine Rotationsbewegung und/oder eine Vibrationsbewegung des thermoplastischen Materials und des Faserverbundmaterials relativ zueinander erzeugt werden. Bei der Verwendung einer Vibrationsbewegung werden das Faserverbundmaterial und das thermoplastische Material bevorzugt durch ein Vibrationsschweißen miteinander verbunden. Beim Vibrationsschweißen wird durch die Vibrationsbewegung in dem Verbindungsbereich zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial Reibungswärme erzeugt, die ausreichend ist, um beide Materialien miteinander zu verschweißen.
  • Es ist außerdem bevorzugt, dass das thermoplastische Material mit dem Faserverbundmaterial durch Induktionsschweißen verschweißt wird. Dazu wird bevorzugt ein elektrisch leitfähiges Material in einem Verbindungsbereich zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial angeordnet und in dem elektrisch leitfähigen Material wird eine Induktionswärme erzeugt, die ausreichend ist, das thermoplastische Material anzuschmelzen und das Faserverbundmaterial zu erwärmen. Beim Induktionsschweißen werden bevorzugt Ströme in dem elektrisch leitfähigen Material induziert, die über Widerstandseffekte und/oder magnetische Hysterese die Induktionswärme erzeugen. Bevorzugt werden zur Erzeugung der Induktionswärme metallische Partikel und/oder eine metallische Schicht in den Verbindungsbereich zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial eingebracht.
  • Bevorzugt ist das Faserverbundmaterial ein mit Fasern verstärktes Matrixmaterial oder umfasst ein mit Fasern verstärktes Matrixmaterial. Es ist weiter bevorzugt, dass das Matrixmaterial ein Thermoplast und/oder ein Duroplast ist oder ein Thermoplast und/oder ein Duroplast umfasst. Es ist außerdem bevorzugt, dass Fasern des Faserverbundmaterials unidirektional ausgerichtet sind oder ein Gewebe bilden. Das Faserverbundmaterial ist daher bevorzugt ein Faserverbundkunststoff (FVK-Material), das heißt insbesondere, ein mit unidirektiona len oder mit ein Gewebe bildenden Fasern versehenes, insbesondere verstärktes, thermoplastisches und/oder duroplastisches Matrixmaterial. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Faserverbundmaterial mit einem Harz, insbesondere mit einem Polyadditions- und/oder einem Polykondensationsharz, hergestellt wird. Das Faserverbundmaterial ist bevorzugt auf einer Wabenstruktur, insbesondere einer Nomexwabe, angeordnet. Dabei ist die Wabenstruktur insbesondere als Schicht ausgebildet, und das Faserverbundmaterial ist schichtförmig auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Wabenstruktur aufgebracht.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das thermoplastische Material aus einem oder mehreren technischen Thermoplasten besteht oder einen oder mehrere technische Thermoplaste umfasst. Es kann weiter vorgesehen sein, dass das thermoplastische Material aus Polyamid besteht oder Polyamid umfasst.
  • Durch Verwendung dieser genannten Faserverbundmaterial und thermoplastischen Materialien lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine besonders gute Verbindung zwischen diesen Materialien erzeugen.
  • Es ist weiter bevorzugt, dass das thermoplastische Material Bestandteil eines Halters ist oder dass der Halter aus dem thermoplastischen Material besteht, und dass das Faserverbundmaterial Bestandteil eines Bauteils ist oder dass das Bauteil aus dem Faserverbundmaterial besteht, so dass das thermoplastische Material des Halters mit dem Faserverbundmaterial des Bauteils verschweißt wird, um den Halter mit dem Bauteil unter Bildung einer Halteranordnung zu verbinden. Ein Halter lässt sich auf diese Art und Weise einfach und schnell mit einem Bauteil verbinden.
  • Wenn das Faserverbundmaterial mit dem thermoplastischen Material durch Bewegungsschweißen verbunden wird, ist es bevorzugt, dass der Halter aus dem thermoplastischen Material in Bewegung gesetzt wird, während sich das Faserverbundmaterial des Bauteils, mit dem zu verbinden ist, nicht bewegt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Bauteil eine Seitenverkleidung in einem Flugzeug, vorzugsweise in einem in Betrieb druckbelüftbaren Raum des Flugzeugs, insbesondere im Kabinenraum des Flugzeugs, und/oder ein Hatrack-Kasten des Flugzeugs oder ein Teil der Seitenverkleidung und/oder ein Teil des Hatrack-Kastens ist. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass das Verfahren innerhalb eines Flugzeugs, vorzugsweise innerhalb eines im Betrieb druckbelüftbaren Raums, insbesondere innerhalb eines Kabinenraums, eines Flugzeugs durchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es also eine Schweißverbindung zwischen einem thermoplastischen Material und einem Faserverbundmaterial insbesondere in einem Flugzeug schnell, zuverlässig und auf eine einfache Art und Weise zu erzeugen.
  • Der Halter ist bevorzugt so ausgebildet, dass er gewünschte Objekte halten kann.
  • Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine Vorrichtung umfassend thermoplastisches Material und Faserverbundmaterial, wobei das thermoplastische Material und das Faserverbundmaterial eine Verbindung aufweisen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist.
  • Bevorzugte Ausführungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 20 bis 24 aufgeführt.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der
  • 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zeigt, mit der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar ist,
  • 2 einen Schichtaufbau einer erfindungsgemäßen Verbindung eines FVK-Materials mit einem thermoplastischen Material zeigt,
  • 3 ein Sandwich mit FVK-Material zeigt,
  • 4 eine schematische Ansicht eines Flugzeuges mit einem Kabinenraum zeigt, in der eine Halteranordnung angeordnet ist, und
  • 5 eine schematische Querschnittsansicht eines Halters zeigt, der thermoplastisches Material aufweist.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem Faserverbundmaterial. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Dreh- und Hubeinheit 2 und eine Steuerungseinheit 3, die mit der Dreh- und Hubeinheit 2 verbunden ist und diese steuert. Die Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren eine Halteraufnahme 4, an der ein Halter 5 lösbar befestigt ist. Die Halteraufnahme 4 ist dreh- und höhenverstellbar in der Dreh- und Hubeinheit gehalten, so dass die Dreh- und Hubeinheit 2 mittels der Halteraufnahme 4 den Halter 5 drehen und dessen Höhenposition verändern kann. Die Vorrichtung 1 umfasst des Weiteren eine Faserverbundmaterial-Aufnahme 6, auf der Faserverbundmaterial 7, in dieser Ausführungsform FVK-Material, gehalten wird.
  • Mittels der Vorrichtung 1 kann ein Halter 5, beispielsweise in der in 1 gezeigten Höhenposition, in die Halteraufnahme 4 eingesetzt werden. Des Weiteren kann ein Faserverbundmaterial 7, insbesondere ein FVK-Material, in die Faserverbundmaterialaufnahme 6 gesetzt werden. Nachdem der Halter 5 und das Faserverbundmaterial 7 in die entsprechenden Aufnahmen 4, 7 gesetzt worden sind, wird die Halteraufnahme 4 in Richtung des Faserverbundmaterials 7 bewegt, so dass der Halter 5 mit einem vorbestimmten Druck das Faserverbundmaterial 7 berührt. Vor, während oder nachdem der vorbestimmte Druck zwischen dem Halter 5 und dem Faserverbundmaterial 7 aufgebaut worden ist, beginnt der Halter 5 mittels der Halteraufnahme 4 mit einer vorbestimmten Frequenz zu drehen. Durch die Drehbewegung reiben die Oberfläche des Halters 5, die aus thermoplastischem Material besteht oder thermoplastisches Material umfasst, und die Oberfläche des Faserverbundmaterial 7 aneinander, wodurch Bewegungswärme entsteht. Dieser Bewegungsvorgang wird aufrechterhalten, bis eine Bewegungswärme erzeugt worden ist, die ausreichend ist, um die beiden Oberflächen miteinander zu verbinden. Dann wird die Bewegung gestoppt, und die Oberflächen kühlen ab. Die Erwärmungsphase und die Abkühlungsphase dauern jeweils nur wenige Sekunden, insbesondere dauert jede Phase weniger als 5 Sekunden.
  • 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Flugzeuges 30 mit einem im Betrieb druckbelüftbaren Kabinenbereich 31. Innerhalb des Kabinenbereichs 31 ist ein Bauteil 32 angeordnet, das Faserverbundmaterial, insbesondere FVK-Material, aufweist oder aus diesem besteht. Das Bauteil 32 ist mit einem Halter 33, der thermoplastisches Material aufweist oder aus thermoplastischem Material besteht, verbunden. Die Verbindung zwischen dem Bauteil 32 und dem Halter 33 ist durch das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren herstellbar.
  • Die Verbindung zwischen dem Faserverbundmaterial und dem thermoplastischen Material unterscheidet sich von einer Schweißverbindung zwischen anderen Materialien. Insbesondere unterscheidet sich die mikroskopische Struktur der Verbindung zwischen einem thermoplastischen Material und einem Faserverbundmaterial, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist, von der mikroskopischen Struktur einer Schweißverbindung zwischen anderen Materialien, beispielsweise zwischen zwei metallischen Materialien.
  • In 1 ist das Faserverbundmaterial 7 von einer Faserverbundmaterialaufnahme 6 gehalten. Erfindungsgemäß kann das Faserverbundmaterial 7 allerdings auch Teil eines größeren Bauteils sein, beispielsweise einer Seitenverkleidung oder eines Hatrack-Kastens, der entweder von einer entsprechenden Aufnahme gehalten wird oder bereits beispielsweise in einem Kabinenbereich eines Flugzeuges montiert ist. Im letzteren Fall ist eine Aufnahme zum Halten des Faserverbundmaterial oder zum Halten des Bauteils nicht erforderlich.
  • Als Dreh- und Hubeinheit 2 und als Steuerungseinheit 3 kann beispielsweise die in der US 5,160,393 beschriebene stationäre Vorrichtung verwendet werden.
  • Alternativ können die Dreh- und Hubeinheit 2, die Steuerungseinheit 3 und die Halteraufnahme 4 auch als Handgerät ausgebildet sein.
  • Der Halter 5 weist zumindest im Verbindungsbereich zu dem Faserverbundmaterial thermoplastisches Material auf, das erfindungsgemäß mit dem Faserverbundmaterial verbunden wird. Eine resultierende Schichtenfolge im Verbindungsbereich ist schematisch in 2 dargestellt. Das thermoplastische Material 10 ist mit dem Faserverbundmaterial 11 verschweißt. In dieser Ausführungsform ist das Faserverbundmaterial 11 auf einer Wabenstruktur 12, insbesondere auf einer Nomexwabe aufgebracht. Bevorzugt ist die Wabenstruktur 12 wiederum auf einer zweiten Schicht 13 aus Faserverbundmaterial aufgebracht.
  • Das thermoplastische Material 10 ist bevorzugt ein technischer Thermoplast und weiter bevorzugt Polyamid. Erfindungsgemäß kann das thermoplastische Material aber auch ein Standardthermoplast oder ein Hochleistungsthermoplast sein. Als technischer Thermoplast werden bevorzugt PA66 (mit oder ohne Glasfasern), PA12, PC (Polycarbonate) oder PMMA verwendet. Die Materialien PA66, PA12 und PC sind bevorzugt mit Flammschutzmittel versehen und weisen daher vorzugsweise besonders gute Brandeigenschaften auf
  • Als Hochleistungsthermoplast werden bevorzugt PEI (Polyetherimide), mit oder ohne Glasfasern, und seine glasfaserverstärkten Modifikationen verwendet. Weitere Hochthermoplastische Materialien können beispielsweise sein: aromatische Polyetherketone (PAEK), PPSU (Polyphenylsulfon) und PAI (Polyamidimide).
  • Das Faserverbundmaterial 11, das bevorzugt ein FVK-Material ist, kann beispielsweise Kohlefasern und/oder Glasfasern, insbesondere ein CFK-Material und/oder ein GFK-Material, aufweisen. Das Faserverbundmaterial ist bevorzugt mit einem Harz, insbesondere mit einem Polyadditions- und/oder Polykondensationsharz, hergestellt. Die Schichtenfolge aus Faserverbundmaterialschichten 11, 13 und einer dazwischenliegenden Wabenstruktur 12 wird auch als Sand wich bezeichnet. Anstelle oder zusätzlich zu der Wabenstruktur 12 kann ein Schaum verwendet werden.
  • 3 zeigt schematisch einen Sandwich mit einer in der 3 oberen Faserverbundmaterialschicht 11 und einer in der 3 unteren Faserverbundmaterialschicht 13, die eine Schicht 14 mit einer Wabenstruktur 15 oder einem Schaum 16 einschließen. Aus Darstellungsgründen ist in 3 zudem ein Teil der Faserverbundmaterialschicht 11 entfernt. Bevorzugt bedeckt die Faserverbundmaterialschicht 11 die Schicht 14 vollständig. Aus Darstellungsgründen sind in der 3 zudem sowohl die Wabenstruktur 15 als auch der Schaum 16 dargestellt. Es ist allerdings bevorzugt, dass der Sandwich nur entweder eine Wabenstruktur 15 oder einen Schaum 16 zwischen den Faserverbundmaterialschichten 11, 13 aufweist. Die Wabenstruktur ist bevorzugt eine Nomexwabe.
  • Die Schichten 11, 13 aus dem Faserverbundmaterial weisen bevorzugt eine Dicke in dem Bereich von 0.1 bis 0.2 mm und weiter bevorzugt eine Dicke von 0.15 mm auf.
  • Der mikroskopische Ablauf des Verbindungsprozesses kann möglicherweise, wie folgt, beschrieben werden.
  • Während des Schweißens geht die Oberfläche des thermoplastischen Materials in eine zähflüssige Phase über, die oberhalb des Glasübergangsbereichs und unterhalb des Schmelzpunktes liegt. Das heißt, das thermoplastische Material wird lediglich angeschmolzen. Gleichzeitig wird die Oberfläche des Faserverbundmaterials erwärmt und geht eine quasi-chemische Verbindung mit der zähflüssigen Phase des thermoplastischen Materials ein. Wenn das Faserverbundmaterial Harze, insbesondere Polyadditions- und/oder Polykondensationsharze, aufweist, gehen möglicherweise noch unausgehärtete Harze mit der zähflüssigen Phase des thermoplastischen Materials eine quasi-chemische Verbindung ein.
  • Des Weiteren könnte die Verbindung dadurch zu Stande kommen, dass das zähflüssige thermoplastische Material des Halters durch Mikroporen des Faserverbundmaterial hindurchgezogen wird, so dass das thermoplastische Material in das Faserverbundmaterial hineingreift und so die Verbindung erzeugt. Das zäh-flüssige thermoplastische Material könnte des Weiteren so in das Faserverbundmaterial hinein- und durch das Faserverbundmaterial hindurchgezogen werden, dass es auf der von dem thermoplastischen Material abgewandten Seite des Faserverbundmaterials eine Verankerung bildet und so die Verbindung erzeugt. Die zähflüssige Phase des thermoplastischen Materials könnte insbesondere dann durch das Faserverbundmaterial hindurchgezogen werden, wenn das Faserverbundmaterial auf einer Wabenstruktur, wie beispielsweise in 2 gezeigt, aufgebracht ist. Auf Grund der Porosität des Faserverbundmaterials könnte es zu einer Kapillarwirkung in Richtung der Wabenstruktur kommen, die zumindest stellenweise zu einem Hineinziehen des zähflüssigen thermoplastischen Materials in das Faserverbundmaterial führen kann.
  • Im Folgenden werden Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden eines thermoplastischen Materials mit einem Faserverbundmaterial beschrieben.
  • Beispiel 1
  • Gemäß dem Beispiel 1 wird ein Halter, der thermoplastisches Material aufweist, und schematisch und beispielhaft in 5 dargestellt ist, mit einem Faserverbundmaterial, das in dieser Ausführungsform ein FVK-Material ist, verbunden.
  • Der Halter 33 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen scheibenförmigen Befestigungsabschnitt 34, der mit dem FVK-Material verbunden wird, und ein Halteelement 35. Der Befestigungsabschnitt 34 und das Halteelement 35 weisen einen Polyamid-PA66-Anteil von 70% und einen Glasfaseranteil von 30% auf. Das Halteelement 35 dient zum Halten eines Objektes, wie beispielsweise einer elektrischen Leitung oder schwererer Gegenstände. Die Dicke des Befes tigungsabschnitts beträgt in diesem Beispiel 2,2 mm, und der Durchmesser des Befestigungsabschnitts beträgt in diesem Beispiel 24 mm.
  • Das FVK-Material ist in diesem Beispiel ein GFK-Laminat, wobei die oberste Decklage des Laminats, mit der die Oberfläche 36 des Halters 33 zu verbinden ist, einen 40%-Anteil an Harz und einen 60%-Anteil an Glasfasergewebe aufweist. Die Dicke des Laminats beträgt 2 mm.
  • Der Halter wird in der Halteraufnahme 4 der schematisch in 1 dargestellten Vorrichtung 1 befestigt. Des Weiteren wird das GFK-Laminat, das heißt, das FVK-Material, in der Aufnahme 6 der Vorrichtung 1 befestigt. Dann wird der Halter mittels der Dreh- und Hubeinheit 2 und der Halteraufnahme 4 auf das GFK-Laminat gedrückt und relativ zu dem GFK-Laminat gedreht, um Bewegungswärme zu erzeugen und das GFK-Laminat mit dem Halter zu verbinden.
  • Der Druck, der während des Schweißprozesses zwischen dem thermoplastischen Material und dem FVK-Material wirkt, beträgt in diesem Beispiel 0,5, 1,0 und 1,5 bar. Für jeden dieser Drücke wurde in diesem Beispiel erfindungsgemäß eine Verbindung zwischen dem Halter, der das thermoplastische Material aufweist, und dem FVK-Material erzeugt. Während des Schweißprozesses wird in diesem Ausführungsbeispiel der Halter, der das thermoplastische Material aufweist, relativ zu dem FVK-Material mit einer Kreisfrequenz von 120 Hz gedreht. Die Schweißtiefe beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 0,35 mm. In diesem Ausführungsbeispiel wurde der Schweißprozess mittels der Schweißtiefe geregelt, das heißt, der Schweißprozess wurde beendet, sobald die vorgegebene Schweißtiefe erreicht worden ist.
  • Zur Überprüfung der Verbindungen zwischen dem thermoplastischen Material und dem FVK-Material wurde die Zugscherfestigkeit ermittelt. Jede der erfindungsgemäß erzeugten Verbindungen weist ausgezeichnete Zugscherfestigkeiten auf. Diese Zuscherfestigkeiten sind beispielsweise ausreichend, um Halter zum Halten schwerer Objekte an FVK-Bauteilen zu befestigen.
  • Beispiel 2
  • Auch in diesem Beispiel wird der in Beispiel 1 beschriebene Halter verwendet. Das FVK-Material ist in diesem Beispiel CFK-Laminat, wobei die oberste Decklage des Laminats, mit der der Halter verbunden wird, einen 45%-Anteil an Harz und einen 55%-Anteil an Kohlenfasergewebe aufweist. Die Dicke des Laminats beträgt 2 mm.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials (Halter) mit einem FVK-Material (Oberfläche des CFK-Laminats) wurde mittels der in 1 schematisch dargestellten Vorrichtung 1 durchgeführt.
  • In diesem Beispiel beträgt die Kreisfrequenz 160 Hz und die Schweißzeit 3 s. Die Schweißzeit ist die Zeit, während der der Halter relativ zu dem FVK-Material bewegt wird und ein vorgegebener Druck, der in diesem Beispiel 1,0 bar beträgt, zwischen dem thermoplastischen Material und dem FVK-Material vorhanden ist. Der Schweißprozess wird in diesem Beispiel mittels der Schweißzeit geregelt, das heißt, der Schweißprozess wurde jeweils für 3 s durchgeführt. Auch bei diesen Beispielen wurde die Zugscherfestigkeit ermittelt.
  • Auch Verbindungen zwischen einem thermoplastischem Material und einem FVK-Material, die mit den Versuchsparametern gemäß Beispiel 2 hergestellt worden sind, zeigen ausgezeichnete Zugscherfestigkeiten, die ausreichend sind, um beispielsweise einen Halter mit thermoplastischem Material zum Halten schwerer Objekte an einem FVK-Bauteil zu befestigen.
  • Obwohl in den Beispielen das Bewegungsschweißen beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf das Bewegungsschweißen beschränkt. Erfindungsgemäß ist jede Schweißart anwendbar, die zu einer Wärmeentwicklung führt, die ausreichend ist, um die erfindungsgemäße Verbindung zu erzeugen. Beispielsweise kann die Wärme auch mittels Strahlung, insbesondere durch Infrarotschweißen oder Laserschweißen, eingebracht werden. Alternativ oder zusätz lich kann die Wärme auch durch Konvektion, insbesondere durch Warmgasschweißen oder Extrusionsschweißen oder durch berührungsloses Schweißen mit heißer Luft, eingebracht werden.
  • Zudem kann das thermoplastische Material mit dem Faserverbundmaterial durch Induktionsschweißen verschweißt werden. Dazu wird bevorzugt ein elektrisch leitfähiges Material in einem Verbindungsbereich zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial angeordnet und in dem elektrisch leitfähigen Material wird eine Induktionswärme erzeugt, die ausreichend ist, das thermoplastische Material anzuschmelzen und das Faserverbundmaterial zu erwärmen. Beim Induktionsschweißen werden bevorzugt Ströme in dem elektrisch leitfähigen Material induziert, die über Widerstandseffekte und/oder magnetische Hysterese die Induktionswärme erzeugen. Bevorzugt werden zur Erzeugung der Induktionswärme metallische Partikel und/oder eine metallische Schicht in den Verbindungsbereich zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial eingebracht.
  • Obwohl die Erfindung beispielhaft anhand eines Halters beschrieben worden ist, der mit einem FVK-Material verbunden wird, ist die Erfindung nicht auf das Verbinden eines Halters mit einem FVK-Material beschränkt. Erfindungsgemäß können auch andere Objekte, die thermoplastisches Material aufweisen und/oder aus diesem bestehen, mit Faserverbundmaterial, insbesondere mit FVK-Material, verbunden werden. Auch ist die Erfindung nicht auf bestimmte Halterformen beschränkt.
  • Des Weiteren ist die Erfindung nicht auf eine Kreisbewegung zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial beschränkt. Erfindungsgemäß kann jede Relativbewegung zwischen dem Faserverbundmaterial und dem thermoplastischen Material, während der sich diese beiden Materialien berühren, verwendet werden, um die für den Schweißprozess notwendige Bewegungswärme zu erzeugen. Diese Relativbewegung kann aus einer Drehbewegung und einer linearen Bewegung zusammengesetzt sein. Zudem kann die Relativbewegung auch nur eine lineare Bewegung sein.
  • Die Erfindung ist nicht auf die in dem Ausführungsbeispiel genannten Drücke, Schweißzeiten, Schweißtiefen oder Frequenzen beschränkt. Erfindungsgemäß können, wie oben bereits ausgeführt, beliebige Relativbewegungen zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial durchgeführt werden und beliebige Drücke zwischen dem Faserverbundmaterial und dem thermoplastischen Material verwendet werden, so lange eine Bewegungswärme erzeugt wird, die ausreichend ist, um diese beiden Materialien miteinander zu verschweißen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5160393 [0033]

Claims (24)

  1. Verfahren zum Verbinden eines thermoplastischen Materials (10) mit einem Faserverbundmaterial (11), wobei das thermoplastische Material (10) mit dem Faserverbundmaterial (11) verschweißt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material (10) mit dem Faserverbundmaterial (11) durch Bewegungsschweißen verschweißt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Bewegungsschweißens das thermoplastische Material (10) und das Faserverbundmaterial (11) relativ zueinander so bewegt werden, dass das thermoplastische Material (10) angeschmolzen und das Faserverbundmaterial (11) erwärmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Bewegungsschweißens das thermoplastische Material (10) und das Faserverbundmaterial (11) relativ zueinander so bewegt und das thermoplastische Material (10) und das Faserverbundmaterial (11) so aneinander gedrückt werden, dass das thermoplastische Material (10) angeschmolzen und das Faserverbundmaterial (11) erwärmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material mit dem Faserverbundmaterial durch Induktionsschweißen verschweißt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiges Material in einem Verbindungsbereich zwischen dem thermoplastischen Material und dem Faserverbundmaterial angeordnet wird und dass in dem elektrisch leitfähigen Material eine Induktionswärme erzeugt wird, die ausreichend ist, das thermoplastische Material anzuschmelzen und das Faserverbundmaterial zu erwärmen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial ein mit Fasern verstärktes Matrixmaterial ist oder ein mit Fasern verstärktes Matrixmaterial umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ein Thermoplast und/oder ein Duroplast ist oder ein Thermoplast und/oder ein Duroplast umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern des Faserverbundmaterials unidirektional ausgerichtet sind oder ein Gewebe bilden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial (11) Kohlefasern und/oder Glasfasern, vorzugsweise ein CFK-Material und/oder ein GFK-Material, umfasst.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial (11) mit einem Harz, insbesondere mit einem Polyadditions- und/oder Polykondensationsharz, hergestellt ist.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial (11) auf einer Wabenstruktur (15), insbesondere einer Nomexwabe, angeordnet ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (15) als Schicht ausgebildet ist und das Faserverbundmaterial (11) schichtförmig auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten der Wabenstruktur (15) aufgebracht ist.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material (10) aus einem oder mehreren technischen Thermoplasten besteht oder einen oder mehrere technische Thermoplaste umfasst.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material (10) aus Polyamid besteht oder Polyamid umfasst.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastisches Material (10) Bestandteil eines Halters (33) ist oder dass der Halter (33) aus dem thermoplastischen Material (10) besteht, und dass das Faserverbundmaterial (11) Bestandteil eines Bauteils (32) ist oder dass das Bauteil (32) aus dem Faserverbundmaterial (11) besteht, so dass das thermoplastische Material (10) des Halters (33) mit dem Faserverbundmaterial (11) des Bauteils (32) verschweißt wird, um den Halter (33) mit dem Bauteil (32) unter Bildung einer Halteranordnung zu verbinden.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Seitenverkleidung in einem Flugzeug (30), vorzugsweise in einem in Betrieb druckbelüftbaren Raum (31) des Flugzeugs, und/oder ein Hatrack-Kasten des Flugzeugs oder ein Teil der Seitenverkleidung und/oder ein Teil des Hatrack-Kastens ist.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren innerhalb eines Flugzeugs (30), vorzugsweise innerhalb eines im Betrieb druckbelüftbaren Raums (31) eines Flugzeugs (30), durchgeführt wird.
  19. Vorrichtung umfassend thermoplastisches Material (10) und Faserverbundmaterial (11), dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material (10) und das Faserverbundmaterial (11) eine Verbindung aufweisen, wobei die Verbindung nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 herstellbar ist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Schichtenfolge aufweist mit einer ersten Schicht umfassend oder bestehend aus thermoplastischem Material (10), einer mit der ersten Schicht durch die Verbindung verbundenen zweiten Schicht umfassend oder bestehend aus Faserverbundmaterial (11) und einer dritten Schicht (12), die auf der von der Verbindung abgewandten Seite der zweiten Schicht angeordnet ist, umfassend oder bestehend aus einer Wabenstruktur und/oder einem Schaum.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Halteranordnung mit einem Halter (33) und einem Bauteil (32) aufweist, wobei das thermoplastische Material (10) Bestandteil des Halters (33) ist oder der Halter (33) das thermoplastische Material (10) umfasst, wobei das Faserverbundmaterial (11) Bestandteil des Bauteils (32) ist oder das Bauteil (32) das Faserverbundmaterial (11) umfasst, wobei durch die Verbindung der Halter (33) mit dem Bauteil (32) verbunden ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Seitenverkleidung in einem im Betrieb druckbelüftbaren Raum (31) eines Flugzeugs (30), vorzugsweise im Kabinenraum des Flugzeugs, und/oder ein Hatrack-Kasten des Flugzeugs (30) oder ein Teil der Seitenverkleidung und/oder ein Teil des Hatrack-Kastens ist.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteranordnung innerhalb eines Flugzeuges (30), vorzugsweise innerhalb eines im Betrieb druckbelüftbaren Raums des Flugzeugs (30), angeordnet ist.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Flugzeug (30) ist.
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