DE102014001132A1

DE102014001132A1 - Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Faser-Metall-Laminat-Bauteile mittels Umformverfahren sowie entsprechend hergestellte Faser-Metall-Laminat-Bauteile

Info

Publication number: DE102014001132A1
Application number: DE102014001132.1A
Authority: DE
Inventors: A. Erman Tekkaya; Noomane Ben Khalifa; Alper Güner; Thomas Mennecart; Andreas Rösner; Kay André; Prof. Dr.-Ing. Henning Frank
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT; Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT; Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2034-01-28
Also published as: DE102014001132B4

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen geht aus von einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) aus mindestens zwei blechartigen Deckschichten (2, 4) aus einem metallischen Material mit einer zwischen den metallischen Deckschichten (2, 4) angeordneten Schicht (3) aus einem Fasermaterial (3). Hierbei wird mindestens ein Monomer (16) vor und/oder während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs (1) in den Bereich der Faserschicht (3) eingebracht und dort unter Einbringung von Wärmeenergie (8) das Fasermaterial (3) umhüllend zumindest teilweise zu einer thermoplastischen Matrix ausgehärtet, während oder nachdem das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) zu einem Faser-Metall-Laminatbauteil umgeformt wird. Weiter wird ein entsprechend hergestelltes Faser-Metall-Laminat-Bauteilen beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung thermoplastischer Faser-Metall-Laminat-Bauteile mittels Umformverfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 und entsprechend hergestellte Faser-Metall-Laminat-Bauteile gemäß Oberbegriff des Anspruches 35.
Im Zusammenhang mit dem immer wichtiger werdenden Leichtbau von industriell und in großen Stückzahlen wie etwa in der Automobilindustrie eingesetzten Bauteilen, die bisher vielfach aus rein metallischen Werkstoffen gefertigt wurden, kommt dem Einsatz sog. faserverstärkte Verbundwerkstoffe immer höhere Bedeutung zu.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe (sog. Composites) stellen eine relativ junge Gruppe von Werkstoffen dar, die aus der Kombination einer textilen Verstärkungsstruktur (Fasern) mit einem Matrixwerkstoff bestehen. Als Fasermaterialien kommen für endlosfaserverstärkte Composites vornehmlich Glas- und/oder Carbonfasern zum Einsatz. Es wird dann von GFK (Glasfaserverstärkten Kunststoffen) bzw. CFK (Carbonfaserverstärkten Kunststoffen) gesprochen. Als Matrixwerkstoffe werden bei industriellen Anwendungen nahezu ausschließlich polymere Werkstoffe eingesetzt, die sich in die zwei wesentlichen Hauptgruppen Duroplaste und Thermoplaste unterteilen. Die Kombination aus Duroplasten und Carbonfasern bietet dabei die besten mechanischen Eigenschaften, ist jedoch auch am teuersten. Die Verwendung von Glasfasern ist wesentlich kostengünstiger, allerdings weisen Glasfasern schlechtere mechanische Eigenschaften auf. Fasern und Matrix haben innerhalb des Composite-Bauteils unterschiedliche Aufgaben. Während die Fasern im Wesentlichen die auf das Bauteil wirkenden Zugkräfte aufnehmen, dient die Matrix hauptsächlich der Formgebung, hält den Zusammenhalt innerhalb des Bauteils aufrecht und nimmt Druck- und Schubkräfte auf. Während die mechanischen Eigenschaften weitgehend von der Faser bestimmt werden, sind die physikalisch-chemischen Eigenschaften in hohem Maße von dem Matrixwerkstoff abhängig.
Insbesondere bei großen und vor allem geometrisch komplex geformten Bauteilen werden zur Herstellung derartiger Composites unterschiedliche Herstellverfahren genutzt: die Ablage vorimprägnierter Halbzeuge auf Formen mit anschließender Aushärtung im Autoklaven, sog. vakuum-unterstützte Infusionsverfahren sowie sog. Handlaminierverfahren. Beim Handlaminierverfahren werden trockene Faserhalbzeuge in Form von Geweben, Gelegen oder Vliesen manuell in eine Form gelegt, anschließend mit Harz imprägniert und manuell konsolidiert. Die Aushärtung kann dann unter verschiedenen Umgebungsbedingungen erfolgen, neben Standarddruck und Raumtemperatur auch häufig bei erhöhten Temperaturen in beheizbaren Formen. Typische Anwendungen sind verschiedenste Großbauteile, etwa für den Boots- und Behälterbau. Bei vakuumunterstützten Infusionsverfahren werden trockene Textilhalbzeuge in eine Form gelegt, mit einem Entlüftungsvlies bedeckt und anschließend mit Folie abgedeckt und gegenüber der Umgebung abgedichtet. Nach Anlegen eines Vakuums werden Einlässe für die harzartigen Matrixmaterialien geöffnet, wodurch das Harz durch das Vakuum in das Laminat gezogen wird. Durch das Vakuum ist gegenüber dem Handlaminierverfahren eine bessere Kompaktierung des Bauteils erreichbar. Typische Anwendungen sind z. B. Rotorblätter von Windturbinen, Struktur- und Verkleidungsteile von LKWs und Bahnwaggons. Bei der Herstellung durch die Ablage imprägnierter Halbzeuge werden sog. Prepregs in einer Form abgelegt, wobei sich das Harz durch Erhitzen im Autoklaven verflüssigt, bevor das Bauteil aushärtet. Durch den im Autoklaven herrschenden Druck kann zudem eine noch bessere Kompaktierung des Bauteils gegenüber den vakuumbasierten Verfahren erzielt werden. Relevante Anwendungen sind insbesondere Strukturkomponenten für den Flugzeugbau, bei Rennfahrzeugen wie etwa in der Formel 1 und hochwertigen Skiern.
Unter den verbleibenden Herstellverfahren ist noch das sog. Harzübertragungsverfahren (Resin Transfer Moulding RTM) interessant, erlaubt jedoch nur die Herstellung eingeschränkter Bauteilgeometrien insbesondere im Hinblick auf die Bauteilgröße und die maximal erreichbare Komplexität der Bauteile. Das RTM-Verfahren basiert auf der Verwendung zweiteiliger Formen. Üblicherweise wird dabei zunächst ein trockener Vorformling (Preform) erzeugt und anschließend in eine Form eingelegt. Nach dem Schließen der Form in einer Presse wird Harz in die Kavität zwischen den Formhälften eingespritzt. Nach Schließen der Harzeinlässe beginnt die Aushärtung, oftmals unter erhöhter Temperatur durch Beheizen der Form. Typische Anwendungen dieses Verfahrens sind Automobil-, Bahn- und Flugzeugkomponenten.
Obwohl die vorstehend geschilderte Herstellung von reinen faserverstärkten Bauteilen immer häufiger z. B. auch zur Herstellung wesentlicher festigkeitsrelevanter Teile von Fahrzeugkarosserien angewandt wird, haben derartig hergestellte Bauteile gegenüber den bisher üblichen Bauteilen aus metallischen Werkstoffen systembedingte Nachteile. Es ist daher schon bekannt geworden, die Vorteile der metallischen Werkstoffe mit den vorteilhaften Eigenschaften von faserverstärkten Werkstoffen in sog. Faser-Metall-Laminaten (FML) aus geschichteten Anordnungen von metallischen Lagen und faserverstärkten Kunststofflagen zu kombinieren.
Faser-Metall-Laminate (FML) können die jeweiligen Eigenschaften metallischer und polymerer Werkstoffe miteinander verbinden und haben im Vergleich zu monolithischen Blechwerkstoffen oder reinen faserverstärkten Kunststoffen je nach Anwendungsfall und Einsatzgebiet eine hohe spezifische Festigkeit und verbesserte Ermüdungseigenschaften. Durch geeignete Kombination von Metallen und Kunststoffen kann zudem eine Steigerung der Biegesteifigkeit erreicht werden, ohne das Bauteilgewicht wesentlich zu erhöhen. Im Bereich der Automobilindustrie werden Kunststoff-Metall-Laminate als Strukturelemente und Dekorbauteile eingesetzt. Verbundbleche für Strukturen bestehen dabei aus dünnen Deckblechen aus Aluminium oder Stahl (Dicke 0,2–0,25 mm) und einer Zwischenschicht aus Polypropylen (PP, Dicke 0,4–0,8 mm). Weiterhin weisen derartige Faser-Metall-Laminate gute Schalldämmeigenschaften auf.
Bisher ist das Einsatzspektrum derartiger Faser-Metall-Laminate allerdings z. B. aufgrund bestehender Herausforderungen bei der Umformung der blechartigen Ausgangswerkstoffe begrenzt. Diese Faser-Metall-Laminate zeichnen sich zwar durch einen guten Widerstand gegen Ermüdungsbruch und geringe Rissausbreitungsgeschwindigkeiten aus, aber nachteilig sind u. a. die durch die Duromer-Matrix begrenzte Umformbarkeit der hergestellten Vormaterialien zu bei den Bauteilen häufig erforderlichen komplexen Geometrien. Faser-Metall-Laminate sind daher zwar grundsätzliche leistungsfähige Hybridwerkstoffkonzepte, die bereits heute kommerziell vor allem in der Luft- und Raumfahrt als Strukturwerkstoffe verwendet werden. Eine breitere technische Verwendung scheitert mangels geeigneter Produktionstechnologien, um Faser-Metall-Laminate in reproduzierbarer Qualität in großserienfähigen Fertigungsprozessen mit endkonturnahen Geometrien, die über leicht gekrümmte, flächige Bauteile hinausgehen, herzustellen. Dazu sind heute entweder mehrstufige Fertigungsverfahren notwendig oder die Fertigung erfolgt gar nur bedingt faserverbundgerecht, indem Faltenwurf oder das Reißen von Fasern in stark umgeformten Bereichen akzeptiert werden.
Neben dem reinen Biegen von stärker konturierten Bauteilen ist es bisher insbesondere nicht wirtschaftlich möglich, etwa sonst durch Tiefziehen hergestellte Bauteilgeometrien auch mittels Faser-Metall-Laminaten herzustellen. Das Tiefziehen ist das in der industriellen Praxis meistgenutzte Umformverfahren zur Herstellung von Blechformteilen mit hohen Stückzahlen und geringen Taktzeiten. Die Normaldruckspannungen, die vom Niederhalter erzeugt werden, haben dabei die Aufgabe, eine irreversible Faltenbildung im Flanschbereich infolge der tangentialen Druckspannungen zu verhindern. Die Formgebungsgrenzen ergeben sich beim Tiefziehen rein metallischer Bleche durch das Auftreten von Reißern oder durch die Bildung von Falten. Beide Versagensarten begrenzen den zulässigen Arbeitsbereich. Jedoch treten neben den bekannten Versagensarten konventioneller Tiefziehprozesse bei Kunststoff-Metall-Laminaten zusätzlich Effekte wie das Abgleiten und Delaminieren der Schichten auf. Tangentiale Druckspannungen führen bei der Gewebeumformung unmittelbar zur Faltenbildung aufgrund der geringen Biegesteifigkeit des Gewebes.
Zur Herstellung von auch stärker konturierten Formteilen aus Faser-Metall-Laminaten existieren verschiedene Ansätze, die sich insbesondere durch die eingesetzten Halbzeuge unterscheiden. So besteht einerseits die Möglichkeit, Faser-Metall-Laminate als blechförmig ebene Halbzeuge einzusetzen und analog wie bei monolithischen Blechwerkstoffen umzuformen. In anderen Ansätzen werden zunächst die Blechwerkstoffe konventionell umgeformt und anschließend die faserverstärkten Materialien eingelegt bzw. die Blechformteile umspritzt (sog. sequentieller Ansatz). Auch können die Bleche zuerst konventionell umgeformt und anschließend das Prepreg-Material in einem Pressverfahren in das umgeformte Blech eingepresst werden. Durch die Temperierung des Werkzeuges härtet es gleichzeitig aus, wobei Verweilzeiten in der Presse notwendig sind.
Beim sog. Polymer-Injection-Forming wird mittels des Drucks der Kunststoffschmelze der Blechwerkstoff umgeformt und gleichzeitig der Kunststoff mit dem Metallblech stoff- und formschlüssig verbunden. Auch werden Verfahren beschrieben, bei denen eine textile Einlage, z. B. aus Glasfasern, zwischen zwei metallischen Deckblechen eingeklebt wird. Nach Aushärtung des Klebstoffes wurde eine nur geringe Umformbarkeit dieser Mehrschichtbleche in Tiefziehversuchen festgestellt.
Bauteile aus Metall-Kunststoff-Verbunden mit bestimmten Kunststoffmaterialien etwa für die Luftfahrtindustrie können mittels Self-Forming-Technique direkt im Autoklaven in der endgültigen Form hergestellt werden. Hierbei werden die einzelnen Lagen im Autoklaven übereinander geschichtet und durch den Vakuumdruck im Autoklaven zur entsprechenden Geometrie geformt. Ein Tiefziehen dieser Halbzeuge ist nicht möglich, daher beschränkt sich ihre Umformung auf das Biegen. Die Geometrie der herstellbaren Bauteile ist allerdings auf einfach- und zweifachgekrümmte Bauteile begrenzt, da i. d. R. nur Streckziehverfahren eingesetzt werden können. Auch musste festgestellt werden, dass Metall-Kunststoff-Verbunde mit einer Zwischenschicht aus Glasfaser ein wesentlich geringeres Umformvermögen als Verbunde ohne Glasfaseranteil aufweisen.
Die Umformung von dreidimensionalen, insbesondere tiefgezogenen Bauteilen ist nach aktuellem Stand der Technik nur im sequentiellen Verfahren möglich ist. Beim Verkleben bereits umgeformter Bauteil wie beschrieben erfordert die Herstellung zwei separate Umformschritte und einen zusätzlichen Schritt zum Fügen dieser Bauteile, was mit langen Prozesszeiten verbunden ist und hohe Kosten verursacht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen anzugeben, bei dem auch umformtechnisch stärker konturierte Bauteile sicher und wirtschaftlich hergestellt werden können sowie entsprechende Faser-Metall-Laminat-Bauteile bereitzustellen.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Faser-Metall-Laminatbauteile aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 35 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung hinsichtlich des Verfahrens geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen, ausgehend von einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug aus mindestens zwei blechartigen Deckschichten aus einem metallischen Material mit einer zwischen den metallischen Deckschichten angeordneten Schicht aus einem Fasermaterial. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfinderischer Weise weiter entwickelt, dass mindestens ein Monomer vor und/oder während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs in den Bereich der Faserschicht eingebracht und dort zumindest teilweise zu einer thermoplastischen Matrix ausgehärtet wird, während und/oder nachdem das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug zu einem Faser-Metall-Laminat-Bauteil umgeformt wird.
Dieses Verfahren bietet den großen Vorteil, dass das Einspritzen des mindestens einen Monomers in die Faserschicht vor oder während oder zumindest zum Teil auch noch nach dem Umformvorgang stattfindet und die Aushärtung des Monomers damit schon während der Umformung beginnen kann. Zudem bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass das mindestens eine Monomer der thermoplastischen Matrix damit zumindest teilweise während bzw. nach der Umformung polymerisiert und somit die Möglichkeit besitzt, auch chemisch eine Verbindung mit den dann zumindest teilweise oder auch schon ganz umgeformten Schichten aus den metallischen Materialien herzustellen, was die Haftfestigkeit zwischen den metallischen Schichten und der Faserverbundschicht deutlich verbessert. Dies hängt damit zusammen, dass die aus dem reaktiven Monomer sich bildende Matrix während der Umformung noch nicht vollständig polymerisiert ist. Daher bildet sich die Grenzschicht zu den Schichten aus den metallischen Materialien im Wesentlichen erst nach der Umformung, sodass eine Delamination zwischen Metall und Kunststoff bei der Umformung nicht zu erwarten ist und eine Umlagerung der Fasern aufgrund der Fertigteilgeometrie während der Umformung ermöglicht wird. Als bevorzugtes polymeres Fertigungsverfahren kann hierbei bevorzugt die T-RTM-Technologie (Thermoplastic Resin Transfer Moulding, eine Variante der SRIM-Technologie für flächige Bauteile) zum Einsatz kommen.
Faser-Metall-Laminat-Bauteile mit thermoplastischer Matrix besitzen umformtechnisch grundsätzliche Vorteile im Vergleich zu jenen mit duromerer Matrix. Jedoch ist die Grenzflächenoptimierung bei einer im Prozess bereits als Polymer vorliegenden Matrix schwierig. Daher bietet die Verwendung einer in-situ-polymerisierenden, reaktiven Thermoplast-Matrix die beste Lösung hinsichtlich Grenzflächenoptimierung sowie Umformvermögen und dient gleichzeitig als Abgleitmedium während der Umformung. Derartige reaktive Thermoplastmatrices besitzen ein Prozessfenster von wenigen Minuten, die sowohl fertigungstechnisch (Prozessfenster für die Umformung) als auch wirtschaftlich (Taktzeiten für die gesamte Erzeugung des Faser-Metall-Laminat-Bauteils) interessant sind. Sie stellen die bestmögliche Lösung dar, um die Taktzeiten im Vergleich zur konventionellen Blechumformung nicht wesentlich zu steigern und diese im Vergleich zum konventionellen RTM oder zum Autoklavverfahren (Prozessfenster im Bereich von ca. 30 Minuten du mehr) deutlich zu senken. Allgemein soll hier Unter Umformung jegliches Verfahren der umfomtechnischen Verarbeitung von Werkstoffen umfasst sein, auch wenn im weiteren das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen an den Beispielen Tiefziehen und Strangpressen erläutert wird.
Strukturbauteile aus Faser-Metall-Laminaten können dadurch intrinsisch, d. h. in einem optimierten, direkten Fertigungsprozess hybridisiert werden, wobei diese Hybridisierung auf der Verwendung einer reaktiven, monomeren Vorstufe einer Thermoplastmatrix (T-RTM) in Kombination mit metallischen Blechwerkstoffen (z. B. Aluminiumlegierungen oder Stahlwerkstoffen sowie Magnesiumlegierungen) beruht. Die Idee ist dabei, dass die niedrige Viskosität des Monomers in der Faserschicht während der Umformung noch Faserumlagerungen ermöglicht und so große Umformungen des Faser-Metall-Laminates direkt in der Konsolidierungsphase intrinsisch erfolgen können, ohne die Faserverbundkomponente zu schädigen. Die dadurch gebildete Thermoplastmatrix bietet dabei gegenüber konventionellen Lösungen in duromerer Matrix deutliche Vorteile.
Die Vorteile der In-situ-Hybridisierung sind insbesondere ein hoher Integrationsgrad des Verfahrens in die übliche Fertigungskette der Umformbearbeitung, eine kurze Taktzeit zur Herstellung des Verbundes, eine fasergerechte Umformbarkeit im Umformprozess sowie auch eine nachträgliche Umformbarkeit, eine Reparaturfähigkeit und gute Separierbarkeit im Hinblick auf ein Recycling durch die thermoplastische Bindung der Metallschichten und der faserverstärkten Schicht.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn die Einbringung des mindestens einen Monomers und/oder das Umhüllen des Fasermaterials und/oder die zumindest teilweise Aushärtung des mindestens einen Monomers unter Einbringung von Wärmeenergie erfolgt. Durch die Einbringung von Wärmeenergie kann die Infiltration des Monomers in die Faserschicht und die benötigte Zeitdauer sowie der Beginn der Polymerisation auch über die Temperatur und die Temperaturführung in weiten Grenzen beeinflusst werden. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die eingebrachte Wärmeenergie eine Aushärtung des mindestens einen Monomers bei Temperaturen im Bereich von mindestens 130°C, vorzugsweise von 200°C ermöglichen.
Denkbar ist es weiterhin, dass die Wärmeenergie durch eine Temperierung des Umformwerkzeugs in das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug eingebracht wird. So können z. B. bei der Umformung oder auch vor der Umformung entstandene Wärmemengen dazu genutzt werden, die Polymerisation zu befördern, auch ist es denkbar, dass das Umformwerkzeug gezielt geheizt oder temperiert wird, um die Polymerisation in gewünschter Weise und ohne unzulässige Temperaturen ablaufen zu lassen.
Von besonderem Vorteil insbesondere für das Handling der Faserschicht bei der Herstellung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs ist es, dass die Faserschicht trocken zwischen die beiden angrenzenden Schichten aus dem metallischen Material eingebracht werden kann. Hierdurch ist eine zumindest teilautomatische Herstellung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs wesentlich einfacher, auch können naturgemäß noch keine ungewollten Polymerisationsvorgänge in dem vorbereiteten Faser-Metall-Laminat-Halbzeug ablaufen, da das Monomer zu diesem Zeitpunkt noch gar nicht in die Schicht eingebracht ist.
Für die Homogenität und den Grad der Füllung der Faserschicht mit dem Monomer ist es von besonderem Vorteil, wenn das mindestens eine Monomer unter Druck in den Bereich der Faserschicht eingespritzt wird. Hierdurch kann dieses typischerweise niedrig viskose Monomer die gesamte Faserschicht vollständig durchdringen und bis zur Sättigung füllen. Voraussetzung hierfür ist, dass die Berandungen des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs gegenüber einem Austritt des eingebrachten Monomers form- und/oder kraftschlüssig abgedichtet werden, damit das eingepresste Monomer nicht bestimmungswidrig aus der Faserschicht austreten und unter Druck die ganze Faserschicht füllen kann. Hierzu ist in einer ersten Ausgestaltung denkbar, dass die Berandungen des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs zur Abdichtung selbst miteinander verbunden werden, z. B. durch fügende plastische Verfahren oder auch eine Art Verklebung oder dgl. Eine andere Ausgestaltung könnte darin bestehen, dass die Berandungen des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs durch die Kraftwirkung von Teilen des Umformwerkzeugs abgedichtet werden, wie dies etwa im Falle des Tiefziehens durch entsprechende Formgebung des Niederhalters oder beim Strangpressen durch vorlaufende Walzen oder dgl. erzeugt werden könnte. Für den Fall einer wie vorstehend vorgenommenen Abdichtung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs z. B. in einem Umformwerkzeug kann die Faserschicht zwischen den Blechen eingelegt und dieses in drei unterschiedlichen Abläufen infiltriert werden. Die Abläufe unterscheiden sich durch den Zeitpunkt der Infiltration. Es kann vor, nach oder während der Umformung Infiltriert werden. Dabei spielt die Entwicklung eines geeigneten Dichtungskonzeptes für das niederviskose Monomer, welches zwischen die Bleche injiziert wird, eine entscheidende Rolle. Darüberhinaus kann ein Klemmkonzept für eine gezielte Faserfixierung der Faserschicht zwischen den metallischen Blechen in der Werkzeugform von Bedeutung sein.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die Schicht des Fasermaterials aus Geweben und/oder Gelegen und/oder Vliesen aus faserartigen Materialien, insbesondere aus Glasfasern oder Kohlenstofffasern gebildet werden kann, so dass je nach den gewünschten Eigenschaften des Faser-Metall-Laminat-Bauteils unterschiedliche Fasern, unterschiedliche Faservernetzungen und unterschiedliche Faserlängen und Faserorientierungen, ggf. auch gemischt miteinander ausgewählt werden können. Dies erlaubt eine weitgehende Beeinflussung der Eigenschaften der polymerisierten Faser-Verbundschicht und damit auch des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs bzw. des daraus hergestellten Faser-Metall-Laminat-Bauteils insgesamt.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Oberflächen der blechartigen Schichten, die mit der Schicht aus dem Fasermaterial in Kontakt treten, vor der Umformung chemisch und/oder physikalisch und/oder mechanisch von Verunreinigungen oder Oberflächenanlagerungen gereinigt werden. Hierdurch lässt sich eine Verbesserung der Anhaftung des mindestens einen polymerisierenden Monomers erreichen, wodurch während der Umformung, vor allem aber auch am fertigen Faser-Metall-Laminat-Bauteils Delaminationen verhindert werden. Hierbei kann nach der Reinigung der Oberflächen der blechartigen Schichten auch z. B. eine neue Oxidschicht höherer Qualität und/oder verbesserter Anhaftung für das nachfolgend aufzutragende Monomer aufgebracht werden. Alternativ kann nach der Reinigung der Oberflächen der blechartigen Schichten eine Schutzschicht, insbesondere eine dichte und flexible Mineralglasschicht aufgetragen werden, die als zusätzlicher Korrosionsschutz der blechartigen Schichten dient und z. B. eine zwischenzeitliche Korrosion gereinigter, aber noch nicht weiter verarbeiteter Bleche verhindert. Hierzu kann beispielsweise auf einer Aluminiumschicht unter der Mineralglasschicht eine Gradienten-Schicht aufgebracht werden, die zunächst weich und flexibel ist (SiOxCyHz) und dann kontinuierlich härter, aber weniger flexibel wird (in Richtung reinem SiO2).
Grundsätzlich ist es denkbar, dass für die blechartigen Schichten metallisches Material jeglicher Art, vor allem aber Stahlmaterialien und/oder Leichtmetallmaterialien und/oder schwer umformbare Materialien, vorzugsweise Magnesiummaterialien verwendet wird. Hierbei kann für beide metallische Schichten eines Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs das gleiche metallische Material verwendet werden, es ist aber auch denkbar, für jede Schicht unterschiedliche metallische Materialien oder zumindest abschnittsweise unterschiedliche metallische Materialien zu verwenden. Auch kann die Dicke der Schichten aus den metallischen Materialien gleichförmig oder ungleichförmig, ggf. auch abschnittweise ungleichförmig ausgestaltet sein, um etwa genau dort, wo bei dem späteren Faser-Metall-Laminat-Bauteil besondere Belastungen auftreten, eine Verstärkung der Schichten aus den metallischen Materialien vorzusehen. Rein beispielhaft genannt können als metallisches Material für die blechartigen Schichten Aluminiumlegierungen der 5XXX- und 6XXX-Reihe oder auch Stähle DC06 und/oder DP 600 verwendet werden.
Weiterhin ist es denkbar, dass mehr als zwei blechartige Schichten jeweils unter Zwischenlegung einer Schicht aus einem Fasermaterial zu einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug geschichtet werden. Hierdurch kann eine weitere Beeinflussung der Eigenschaften des Faser-Metall-Laminat-Bauteils erreicht werden, wobei in den einzelnen Schichten eines derartig gebildeten Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs jeweils unterschiedliche metallische Schichten bzw. Faserschichten bzw. verwendete Monomere denkbar sind.
Als besonders bevorzugtes Umformverfahren kann das erfindungsgemäße Verfahren für ein Tiefziehverfahren mit Niederhalter und Tiefziehstempel verwendet werden.
In einer anderem Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße Verfahren für ein Strangpressen als Umformverfahren verwendet werden, bei dem die metallischen Schichten durch eine Strangpressverfahren gebildet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es dabei denkbar, dass die blechartigen Schichten aus einem metallischen Material beim Strangpressen aus zwei unter einem Winkel zueinander angeordneten Abschnitten des gleichen Strangpressprofils oder aus zwei Abschnitten von zwei aufeinander zu liegen kommenden Strangpressprofilen gebildet werden. Hierbei werden die Schichten des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs erst unmittelbar vor der Verbindung mit der Faserschicht und damit der Herstellung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs durch Strangpressen erzeugt, wodurch die Prozesswärme des Strangpressprozesses zur Beschleunigung der Temperierung des Polymerisationsprozesses des Monomers genutzt werden kann. Auch kann dieser Prozess kontinuierlich ablaufen, sowohl in Bezug auf die Erzeugung der metallischen Schichten als auch in Bezug auf das Einlegen der Faserschicht und die Einbringung des Monomers. Dadurch ist diese Herstellungsweise besonders wirtschaftlich. Auch können bei Verwendung von zwei Abschnitten von zwei aufeinander zu liegen kommenden unterschiedlichen Strangpressprofilen unterschiedliche metallische Materialien für die metallischen Schichten benutzt und miteinander kombiniert werden.
In weiterer Ausgestaltung kann dabei die Schicht aus dem Fasermaterial zwischen die einander zuzuordnenden Abschnitte des Strangpressprofils oder die beiden Abschnitte der aufeinander zu liegen kommenden Strangpressprofile eingebracht werden, bevor die einander zuzuordnenden Abschnitte des oder der Strangpressprofile aufeinander zu liegen kommen, etwa indem zwischen den Abschnitten der metallischen Materialien die Faserschicht z. B. von einer Rolle abgezogen und zwischen die Abschnitte der metallischen Materialien geführt wird. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung das mindestens eine Monomer auf die Schicht aus dem Fasermaterial aufgebracht, vorzugsweise drucklos und bis zur Sättigung der Schicht aufgesprüht werden, bevor die einander zuzuordnenden Abschnitte des oder der Strangpressprofile aufeinander zu liegen kommen. Hierbei ist eine druckbehaftete Einbringung des Monomers aufwändiger, da hierfür bei dem kontinuierlichen Prozess eine sichere Abdichtung des laufend produzierten Stranges gewährleistet werden müsste. In weiterer Ausgestaltung können dann nach dem Einbringen des mindestens einen Monomers und der Schicht aus dem Fasermaterial die Abschnitte des Strangpressprofils vorzugsweise walztechnisch aufeinander gepresst und damit während der beginnenden Polymerisation miteinander verbunden werden. Es ist aber auch ein anderes Verbindungsverfahren als das Walzen denkbar.
In einer anderen Ausgestaltung kann als Umformverfahren ein Walzprofilieren verwendet werden, bei dem das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug mittels Walzprofilieren umgeformt wird. Hierbei kann das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug in kontinuierlicher oder auch stückweiser Ausgestaltung wie beim Tiefziehen wie vorstehend beschrieben vorbereitet und durch ein Walzprofilieren mit gleichzeitig beginnender Polymerisation des Monomers in die endgültige Form des Faser-Metall-Laminat-Bauteils umgeformt werden.
Hinsichtlich der zu verwendenden Materialien zu Bildung der thermoplastischen Matrix der Faserverbundschicht können bevorzugt unterschiedliche reaktive Monomere oder vergleichbare Substanzen zur Anwendung kommen, von denen einige nur beispielhaft nachfolgend angegeben werden. Wichtig ist hierbei, dass die Polymerisation anders als bei den üblicherweise duromeren Harzen, die sonst üblicherweise zur Herstellung von Faserverbundschichten benutzt werden, wesentlich schneller abläuft und daher kürzere Taktzeiten im Bereich von wenigen Minuten im Werkzeug bis zur Ausformung erreicht werden können.
Besonders bevorzugt kann zur Bildung einer thermoplastischen Matrix in der Schicht des Fasermaterials eine reaktive, monomere Vorstufe einer Thermoplastmatrix (T-RTM) mit im Ausgangszustand niedriger Viskosität verwendet werden. Als einige und nicht abschließend angeführt zu betrachtende Beispiele hierfür kann das thermoplastisch aushärtende Monomer Caprolactam angegeben werden, das zu Gusspolyamid 6 (PA6G) polymerisiert. Ein derartig grundsätzlich bekanntes Caprolactam-Monomer polymerisiert unter Hinzufügung eines Initiators oder Katalysators und eines Aktivators zu einem anionisch polymerisierten Polyamid 6, wobei als Reaktionstemperatur des Caprolactam-Monomers zwischen 130 und 160°C anzustreben ist. Mit derartiger Prozessführung kann die vollständige Polymerisation des Caprolactam-Monomers schon innerhalb von 3 Minuten erfolgen, wodurch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kurze und wirtschaftlich interessante Taktzeiten zur Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen erreicht werden können.
Aufgrund verschiedener prozesstechnischer Vorteile wird in der Praxis die Verarbeitung von Caprolactam zu Verbunden mit PA6G Matrix bevorzugt verwendet. Durch die mit etwa 5 mPa·s sehr geringe, wasserähnliche Viskosität wird es ermöglicht, konventionelle Duromerverarbeitungsverfahren wie das Resin-Transfer-Moulding (RTM) zu verwenden. Der Einfluss des Aktivator- und Katalysatorverhältnisses, sowie der Polymerisationstemperatur und -zeit auf die mittlere Molmasse und den Kristallinitätsgrad ermöglicht eine weitgehende Beeinflussung des Polymerisationsprozesses. Die Polymerisationszeit lässt sich durch die Wahl von Aktivator- und Katalysatorkombinationen, sowie deren Verhältnis in weiten Bereichen einstellen.
Für die chemische Umsetzung der G-PA 6 Polymerisation, die gleichzeitig die Anbindung an die Metallschichten realisieren soll, müssen geeignete Metalle für die Eignung von Polymerisation des Caprolactams und die Blechumformung ausgewählt und vorbereitet werden. Um eine Polymerisation mit hoher Güte zu erreichen, ist es gleichzeitig notwendig, die chemische Kompatibilität zwischen dem reaktiven Monomer und dem Fasermaterial zu erreichen. Entscheidend bei der Faserauswahl ist eine für die anionische Polymerisation geeignete Schlichte, ein Faserhalbzeug, das sich im späteren Herstellprozess gut drapieren lässt und eine entsprechende Vortrocknung der Fasermaterials, um die Reaktion nicht zu hindern.
Alternativ kann als thermoplastisch aushärtendes Monomer Lauryllactam verwendet werden, das zu PA12 polymerisiert oder auch Cyclo-Butylen-Therephthalat, das zu Polybutylenterephthalat polymerisiert.
Die Erfindung hinsichtlich des Faser-Metall-Laminat-Bauteils beschreibt ein Faser-Metall-Laminat-Bauteil, aufweisend ein Faser-Metall-Laminat-Halbzeug aus mindestens zwei blechartigen Deckschichten aus einem metallischen Material mit einer zwischen den metallischen Deckschichten angeordneten Schicht aus einem Fasermaterial, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1. Bei einem derartigen gattungsgemäßen Faser-Metall-Laminat-Bauteil ist in dem Bereich der Schicht des Fasermaterials mindestens ein Monomer vor und/oder während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs einbringbar, wobei das mindestens eine Monomer während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeug zu dem Faser-Metall-Laminatbauteil zumindest teilweise zu einer thermoplastischen Matrix ausgehärtet ist.
Die wesentlichen Eigenschaften und Vorteile derartig aufgebauter und hergestellter Faser-Metall-Laminat-Bauteile ist schon vorstehend in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren ausführlich erläutert worden. Es wird daher hier nur noch auf bauteilmäßige Besonderheiten extra hingewiesen, ansonsten wird auf die Beschreibung des Verfahrens in vollem Umfang auch für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Faser-Metall-Laminat-Bauteile selbst Bezug genommen.
Die polymerisierte Schicht der Faserverbundmatrix kann das thermoplastisch aushärtende Monomer Caprolactam aufweisen, das zu Gusspolyamid 6 (PA6G) polymerisiert. Alternativ kann auch Lauryllactam verwendet werden, das zu PA12 polymerisiert, oder auch Cyclo-Butylen-Therephthalat, das zu Polybutylenterephthalat polymerisiert.
Als metallisches Material für die blechartigen Schichten können Aluminiumlegierungen der 5XXX- und 6XXX-Reihe oder auch Stähle DC06 und/oder DP 600 verwendet werden. Darüber hinaus sind auch die schwer umformbaren Magnesiumlegierungen für die blechartigen Schichten denkbar. Alle vorstehenden Materialien sind hierbei rein beispielhaft angegeben und es kann eine Vielzahl anderer metallischer Materialien ebenfalls von der Erfindung umfasst sein.
Auch ist es denkbar, dass mehr als zwei blechartige Schichten jeweils unter Zwischenlegung einer Schicht aus einem Fasermaterial zu einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug geschichtet sind.
Die Schichtdicken der metallischen Materialien und des faserverstärkten Verbundwerkstoffs können anwendungsabhängig vorgegeben werden, z. B. zur Erhöhung der Schalldämpfung kann eine dickere Faserschicht vorgesehen werden.
Auch ist es denkbar, dass zumindest abschnittsweise mehr als eine Schicht eines Fasermaterials übereinander gestapelt zwischen die metallischen Schichten eingebracht ist, um lokal unterschiedliche Eigenschaften der Schicht des Fasermaterials hervorzurufen. Entsprechend kann auch die Dicke der metallischen Schichten im Ganzen oder lokal variiert werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
1a–1d – den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens der In-Situ-Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen aus geschichtet aufgebauten Faser-Metall-Laminat-Halbzeugen aus metallischen Deckblechen und Faserverbundkern und einer Polymerisation mindestens eines Monomers bei der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs am Beispiel eines Tiefziehprozesses in einem schematischen Ablaufplan,
2a–2b – ein erfindungsgemäßes Verfahren sowie ein entsprechend hergestelltes Faser-Metall-Laminat-Bauteil am Beispiel eines Strangpressprozesses.
In der 1 ist der typische Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens der In-Situ-Herstellung von Faser-Metall-Laminat-Bauteilen aus geschichtet aufgebauten Faser-Metall-Laminat-Halbzeugen aus metallischen Deckblechen und Faserverbundkern und einer Polymerisation mindestens eines Monomers bei der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs am Beispiel eines Tiefziehprozesses in einem schematischen Ablaufplan dargestellt.
In dem ersten Schritt gemäß 1a sollen die platinenartigen metallischen Materialien 2, 4 zum Zwecke besserer Haftung bzw. Adhäsion vorbehandelt werden. Dieses kann sowohl chemisch als auch mechanisch als auch physikalisch erfolgen. In der 1a ist eine Plasmabehandlung mit einem Plasmastrahl 11 aus einem Plasmabrenner 10 zu erkennen, der zumindest eine Seite des metallischen Materials 2, 4 ganzflächig behandelt und dadurch die Adhäsion an dieser Oberfläche erhöht. Auch können in diesem Vorbehandlungsschritt z. B. Schutzschichten, Haftvermittlerschichten oder dgl. aufgebracht werden.
Im nächsten Schritt gemäß 1b werden die Faser-Metall-Laminat-Halbzeuge 1 schichtweise aus Fasergeweben 3 oder auch Fasergelegen oder Faservliesen, die in diesem Schritt noch trocken sind, und den metallischen Schichten 2, 4 durch stapelweise Anordnung übereinander hergestellt. Dies kann von Hand oder auch teilautomatisiert erfolgen, da die trockene Faserschicht einfach zu handhaben ist.
In einem dritten Schritt gemäß 1c wird dieses Faser-Metall-Laminat-Halbzeug 1 in eine nicht näher dargestellte Tiefziehpresse mit einem Tiefziehwerkzeug eingelegt, von dem nur die Tiefziehmatrize 6 sowie der Niederhalter 7 dargestellt sind. Der nicht dargestellte Tiefziehstempel ist in bekannter Weise oberhalb der Tiefziehmatrize 6 angeordnet und bewegt sich beim Tiefziehvorgang senkrecht in die Tiefziehmatrize 6 hinein. Durch die Kraft des Niederhalters 7 wird das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug 1 im Randbereich auf die Oberseite der Tiefziehmatrize 6 gedrückt, wobei es durch umlaufenden Ziehsicken 9 zur ringförmigen Abdichtung des Inneren des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs 1 kommt. Somit kann nun das Einspritzen des Monomers 16 über einen mit dem Inneren des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs 1 in Verbindung stehenden Einspritzkanal 5 erfolgen und der Tiefziehvorgang starten. Dabei wird das Innere des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs 1 mit dem Fasermaterial 3 vollständig mit dem Monomer 16 gefüllt und der Polymerisationsvorgang des reaktiven Monomers 16 kann beginnen.
In einem nächsten Schritt gemäß 1d erfolgt die Umformung (es ist in 1d ein noch nicht vollständig abgeschlossener Umformungsgrad dargestellt) mit beginnender Aushärtung des Monomers 16 durch Polymerisation während der laufenden Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs 1 zu einem vereinfacht dargestellten Napf. Denkbar ist hierbei auch, dass die Umformung bei erhöhter Temperatur (Temperierung des Werkzeugs 6 auf z. B. 200°C) durchgeführt wird, so dass der Aushärteprozess während der Umformung startet, was zu einer zusätzlichen Beeinflussung des Werkstoffflusses führt und die Prozesszeiten weiter reduzieren kann. Die Temperierung des Werkzeuges 6 kann hierbei beispielhaft durch erhitzbare Heizpatronen 8 mit Beginn der Umformung und auch noch danach erfolgen. Eine Temperierung des Werkzeuges 6 kann nicht nur zur Aushärtung des Monomers in der Faserschicht 3 zu der thermoplastischen Matrix verwendet werden, sondern auch zur Umformung von schwer umformbarem Material wie z. B. Magnesiumlegierungen oder dgl. dienen.
In einem abschließenden Schritt gemäß 1e erfolgt nun nach Abschluss der Umformung die komplette Polymerisation des Monomers 16 durch Polymerisation in der Faserschicht 3, wodurch die Matrix des Faserverbundschicht ausgebildet wird. Hierbei ist das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug 1 komplett umgeformt und es liegt nach Abschluss der Polymerisation das fertige Faser-Metall-Laminat-Bauteil vor. Diese abschließende Polymerisation erfolgt z. B. durch Temperierung mittels der schon erwähnten Heizpatronen 8.
In der 2 ist eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein entsprechend hergestelltes Faser-Metall-Laminat-Bauteil am Beispiel eines Strangpressprozesses schematisch dargestellt und wird im Weiteren kurz beschrieben.
Während des Strangpressens wird ein auf einer Rolle 20 aufgewickeltes Fasergewebe 3 oder auch Fasergelege zwischen zwei mit hoher Temperatur (ca. 250°C) und ggf. durch Ventilatoren 14 gekühlt aus zwei übereinander angeordneten Strangpressen 12, 13 austretenden Rechteckprofilen 15 maschinell eingelegt und vorher in einer Sprühstation 17 beidseitig mit Monomer 16 bis zur vollständigen Durchtränkung besprüht. In einem anschließenden Schritt werden die übereinander zu liegen kommenden Stränge von Rechteckprofilen 15 und mit Monomer 16 besprühtem Fasergewebe 3 mittels Walzen 18 aufeinander gewalzt und dadurch miteinander dauerhaft verbunden. Denkbar ist es dabei, durch eine weitere versetzte Walze 19 den vereinigten Strang durch Walzbiegen in eine bestimmte Krümmungsform zu bringen.
Ein entsprechend durch Strangpressen hergestelltes Bauteil aus metallischen Schichten 2', 4' und einer dazwischen angeordneten Faserverbundschicht 3' ist in der 2b für den einfachsten Fall eines ebenen Bauteils schematisch dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Faser-Metall-Laminat-Halbzeug
2: metallische Schicht
3: Faserschicht
4: metallische Schicht
5: Einspritzkanal
6: Tiefziehgesenk
7: Niederhalter
8: Heizpatrone
9: Niederhaltersicke
10: Plasmabrenner
11: Plasmastrahl
12: Strangpresse
13: Strangpresse
14: Gebläse
15: austretender Strang metallischen Materials
16: Monomervorrat
17: Sprühdüsen
18: Walze
19: Biegewalze
20: Rolle Faserschicht

Claims

Verfahren zur Herstellung von Faser-Metall-Laminatbauteilen, ausgehend von einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) aus mindestens zwei blechartigen Deckschichten (2, 4) aus einem metallischen Material mit einer zwischen den metallischen Deckschichten (2, 4) angeordneten Schicht (3) aus einem Fasermaterial (3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Monomer (16) vor und/oder während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs (1) in den Bereich der Faserschicht (3) eingebracht und dort zumindest teilweise zu einer thermoplastischen Matrix ausgehärtet wird, während und/oder nachdem das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) zu einem Faser-Metall-Laminatbauteil umgeformt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Monomer (16) zu einem thermoplastischen Material polymerisiert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des mindestens einen Monomers (16) und/oder das Umhüllen des Fasermaterials (3) und/oder die zumindest teilweise Aushärtung des mindestens einen Monomers (16) unter Einbringung von Wärmeenergie (8) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachte Wärmeenergie (8) eine Aushärtung des mindestens einen Monomers (16) bei Temperaturen im Bereich von mindestens 130°C, vorzugsweise von 200°C ermöglicht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie (8) durch eine Temperierung des Umformwerkzeugs (6, 7) in das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) eingebracht wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschicht (3) trocken zwischen die beiden angrenzenden Schichten (2, 4) aus dem metallischen Material eingebracht wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Monomer (16) unter Druck in den Bereich der Faserschicht (3) eingespritzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandungen des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs (1) gegenüber einem Austritt des eingebrachten Monomers (16) form- und/oder kraftschlüssig (9) abgedichtet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandungen des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs (1) zur Abdichtung selbst miteinander verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandungen des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs (1) durch die Kraftwirkung von Teilen (7, 9) des Umformwerkzeugs (6) abgedichtet werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschicht (3) aus Geweben und/oder Gelegen und/oder Vliesen aus faserartigen Materialien, insbesondere aus Glasfasern oder Kohlenstofffasern gebildet werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der blechartigen Schichten (2, 4), die mit der Faserschicht (3) in Kontakt treten, vor der Umformung chemisch und/oder physikalisch und/oder mechanisch von Verunreinigungen oder Oberflächenanlagerungen gereinigt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Reinigung der Oberflächen der blechartigen Schichten (2, 4) eine neue Oxidschicht höherer Qualität und/oder verbesserter Anhaftung für das nachfolgend aufzutragende Monomer (16) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Reinigung der Oberflächen der blechartigen Schichten (2, 4) eine Schutzschicht, insbesondere eine dichte und flexible Mineralglasschicht aufgetragen wird, die als zusätzlicher Korrosionsschutz der blechartigen Schichten (2, 4) dient.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Mineralglasschicht eine Gradienten-Schicht aufgebracht wird, die zunächst weich und flexibel ist (SiOxCyHz) und dann kontinuierlich härter aber weniger flexibel wird (in Richtung reinem SiO2).
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Material für die blechartigen Schichten (2, 4) Stahlmaterialien und/oder Leichtmetallmaterialien und/oder schwer umformbare Materialien, vorzugsweise Magnesiummaterialien verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Material für die blechartigen Schichten (2, 4) Aluminiumlegierungen der 5XXX- und 6XXX-Reihe verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Material für die blechartigen Schichten (2, 4) Stähle DC06 und/oder DP 600 verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei blechartige Schichten (2, 4) jeweils unter Zwischenlegung einer Schicht aus einem Fasermaterial (3) zu einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) geschichtet werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umformverfahren ein Tiefziehverfahren mit Niederhalter (7) und Tiefziehstempel verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umformverfahren ein Strangpressen (12, 13) verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die blechartigen Schichten (2, 4) aus einem metallischen Material beim Strangpressen (12, 13) aus zwei unter einem Winkel zueinander angeordneten Abschnitten des gleichen Strangpressprofils (15) oder aus zwei Abschnitten von zwei aufeinander zu liegen kommenden Strangpressprofilen (15, 15') gebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserschicht (3) zwischen die einander zuzuordnenden Abschnitte des Strangpressprofils (15) oder die beiden Abschnitte der aufeinander zu liegen kommenden Strangpressprofile (15, 15') eingebracht wird, bevor die einander zuzuordnenden Abschnitte des oder der Strangpressprofile (15, 15') aufeinander zu liegen kommen.
Verfahren gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Monomer (16) auf die Faserschicht (3) aufgebracht, vorzugsweise drucklos und bis zur Sättigung der Schicht, aufgesprüht (17) wird, bevor die einander zuzuordnenden Abschnitte des oder der Strangpressprofile (15, 15') aufeinander zu liegen kommen
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen des mindestens einen Monomers (16) und der Faserschicht (3) die Abschnitte des oder der Strangpressprofile (15, 15') vorzugsweise walztechnisch (18) aufeinander gepresst werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeenergie (8) für die zumindest teilweise Aushärtung des mindestens einen Monomers (16) die Wärmeenergie des oder der Strangpressprofile (15, 15') nach dem unmittelbar vorhergehenden Strangpressen (12, 13) genutzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umformverfahren ein Walzprofilieren verwendet wird, bei dem das Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) mittels Walzprofilieren umgeformt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer thermoplastischen Matrix in der Faserschicht (3) eine reaktive, monomere Vorstufe einer Thermoplastmatrix (T-RTM) mit im Ausgangszustand niedriger Viskosität verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastisch aushärtendes Monomer Caprolactam verwendet wird, das zu Gusspolyamid 6 (PA6G) polymerisiert.
Verfahren gemäß Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Caprolactam-Monomer unter Hinzufügung eines Initiators oder Katalysators und eines Aktivators zu einem anionisch polymerisierten Polyamid 6 polymerisiert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionstemperatur des Caprolactam-Monomers zwischen 130 und 160°C liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die vollständige Polymerisation des Caprolactam-Monomers innerhalb von 3 Minuten erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastisch aushärtendes Monomer Lauryllactam verwendet wird, das zu PA12 polymerisiert.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastisch aushärtendes Monomer Cyclo-Butylen-Therephthalat verwendet wird, das zu Polybutylenterephthalat polymerisiert,
Faser-Metall-Laminat-Bauteil, aufweisend ein Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) aus mindestens zwei blechartigen Deckschichten (2, 4) aus einem metallischen Material mit einer zwischen den metallischen Deckschichten (2, 4) angeordneten Schicht (3) aus einem Fasermaterial, insbesondere hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich der Schicht (3) des Fasermaterials mindestens ein Monomer (16) vor und/oder während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs (1) einbringbar ist, wobei das mindestens eine Monomer (16) während und/oder nach der Umformung des Faser-Metall-Laminat-Halbzeugs (1) zu dem Faser-Metall-Laminat-Bauteil zumindest teilweise zu einer thermoplastischen Matrix ausgehärtet ist.
Faser-Metall-Laminat-Bauteil gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastisch aushärtende Monomer (16) Caprolactam aufweist, das zu Gusspolyamid 6 (PA6G) polymerisiert.
Faser-Metall-Laminat-Bauteil gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastisch aushärtende Monomer (16) Lauryllactam aufweist, das zu PA12 polymerisiert.
Faser-Metall-Laminat-Bauteil gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastisch aushärtende Monomer (16) Cyclo-Butylen-Therephthalat aufweist, das zu Polybutylenterephthalat polymerisiert,
Faser-Metall-Laminat-Bauteil gemäß einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) des Fasermaterials Gewebe und/oder Gelege und/oder Vliese aus faserartigen Materialien, insbesondere aus Glasfasern oder Kohlenstofffasern aufweisen.
Faser-Metall-Laminat-Bauteil gemäß einem der Ansprüche 35 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material für die blechartigen Schichten (2, 4) Aluminiumlegierungen der 5XXX- und 6XXX-Reihe aufweist.
Faser-Metall-Laminat-Bauteil gemäß einem der Ansprüche 35 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material für die blechartigen Schichten (2, 4) Stähle DC06 und/oder DP 600 aufweist.
Faser-Metall-Laminat-Bauteil gemäß einem der Ansprüche 35 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei blechartige Schichten (2, 4) jeweils unter Zwischenlegung einer Schicht (3) aus einem Fasermaterial zu einem Faser-Metall-Laminat-Halbzeug (1) geschichtet sind.
Faser-Metall-Laminat-Bauteil gemäß einem der Ansprüche 35 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken von metallischen Materialien (2, 4) und faserverstärktem Verbundwerkstoff (3) anwendungsabhängig auswählbar sind.
Faser-Metall-Laminat-Bauteil gemäß einem der Ansprüche 35 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise mehr als eine Schicht (3) eines Fasermaterials übereinander gestapelt zwischen die metallischen Schichten (2, 4) eingebracht ist.