DE10215999B4 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärktem Halbzeug, insbesondere in Form von Metallbändern oder Metallblechen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von faserverstärktem Halbzeug, insbesondere in Form von Metallbändern oder Metallblechen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von faserverstärktem Halbzeug (1), insbesondere in Form von Metallbändern oder Metallblechen, aus zumindest einer Faserlage, die mehrere von einander beabstandete und parallel angeordnete lange bis endlose Verstärkungsfasern (14) und ein die Verstärkungsfasern (14) zumindest bereichsweise umgebendes Metall umfasst, dadurch gekennneichnet, dass das Metall mit den Verstärkungsfasern (14) zumindest bereichsweise ein Schweißverfahren durchläuft, bei dem eine Verbindung durch ein flächiges Aufschmelzen des Metalls zu einer die Verstärkungsfasern (14) umgebenden Matrix (12) erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärktem Halbzeug in Form von Metallbändern und Metallblechen oder dergleichen gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 16.
  • Ein derartiges Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Folien, Blechen oder Bändern mit einer Metallmatrix ist aus der US-PS 4,733,816 und der US-PS 4,499,156 bekannt. Dabei wird die Metallmatrix mit einer Vorrichtung, wie sie die US-PS 3,841,942 offenbart, zwischen und auf die Fasern heißgepresst. Als Fasern werden Siliziumkarbidfasern, siliziumbeschichtete Siliziumkarbidfasern, siliziumkarbidbeschichtete Borfasern oder borkarbidbeschichtete Borfasern verwendet. Als Matrixmetall stehen ausschließlich Titanbasislegierungen zur Verfügung.
  • Die letztlich aus faserverstärkten Folien, Blechen oder Bändern entstehenden Bauteile werden auch als Metal-Matrix-Components (MMC's) bezeichnet.
  • Das bekannte Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Folien, Blechen oder Bändern hat den Nachteil, dass es relativ aufwendig ist, da es mehrere Schritte zum Aufbau der Faser-/Folienstruktur umfasst. Ferner sind der erzielbare Faservolumenanteil und die resultierenden mechanischen Eigenschaften begrenzt, da die dichteste Anordnung von Fasern nicht erreicht werden kann. Zudem kann der Abstand zwischen den Fasern nicht konstant gehalten werden und Faserberührung und Faserbruch ist nicht auszuschließen. Die gezielte Ausrichtung der Fasern in die benötigten Richtungen ist ebenfalls nur begrenzt möglich. Dies führt u. a. zu Ermüdungsrissen, geringere Bruchsicherheit und einer verkürzten Lebenszeit der aus den faserverstärkten Folien/Blechen hergestellten MMC's.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärktem Halbzeug in Form von Metallbändern, Metallblechen oder dergleichen gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass unter Vermeidung der genannten Nachteile ein kostengünstiges Verfahren angegeben wird, bei dem die Verstärkungsfasern in eine vorbestimmte exakte Anordnung innerhalb der Matrix des Halbzeugs gebracht werden.
  • Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen und für die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 16 gelöst.
  • Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich durch ein Schweißverfahren die Verstärkungsfasern und ein die spätere Matrix des Halbzeugs bildendes Metall auf einfache Art und Weise in eine vorbestimmte bleibende Anordnung bringen lassen.
  • Nach der Erfindung durchlaufen daher ein Metall und die Verstärkungsfasern zumindest bereichsweise ein Schweißverfahren, bei dem eine Verbindung durch ein flächiges Aufschmelzen des Metalls zu einer die Verstärkungsfasern umgebenden Matrix erfolgt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Verschweißen der Verstärkungsfasern in der Art, dass das Metall einer Verstärkungsfaser mit dem Metall einer weiteren Verstärkungsfaser oder mit der Matrix von bereits miteinander verbundenen Verstärkungsfasern angeschweißt wird.
  • Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Metall mehrerer parallel nebeneinander angeordneter Verstärkungsfasern gleichzeitig in einem Verfahrensschritt miteinander verschweißt.
  • Das Schweißen kann dabei sowohl kontinuierlich, bereichsweise oder punktuell erfolgen.
  • Als Schweißverfahren können ein Energiestrahlschweißverfahren, wie ein Laserschweißverfahren oder ein Elektronenstrahlschweißverfahren, verwendet werden. Hierbei handelt es sich um Standardschweißverfahren, die die Herstellungskosten erheblich reduzieren.
  • Um insbesondere chemische Reaktionen in der Matrix mit Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) oder dergleichen zu vermeiden, erfolgt zumindest das Schweißverfahren in einer Atmosphäre ohne reaktiver Gase, wie Vakuum beim Elektronenstrahlschweißen, Inertgas-Atmosphäre bei Laserstrahlschweißen u. ä.
  • Vorzugsweise wird die Verstärkungsfaser vor dem Schweißverfahren mit einem Metallmantel, beispielsweise im PVD-Verfahren, versehen, der nach dem Schweißvorgang zumindest teilweise das Metall der Matrix bildet.
  • Um ein Halbzeug mit ausreichend Matrixmaterial bereitzustellen, werden gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vor dem Schweißverfahren mehrere einen Metallmantel aufweisende Verstärkungsfasern parallel nebeneinander zwischen zwei Metallfolien angeordnet. Ein gleichmäßiges Aufschmelzen des Metallmantels der Verstärkungsfasern und der Metallfolien wird vorzugsweise durch Verwendung des gleichen Metalls für den Metallmantel als auch die Metallfolie gewährleistet.
  • Alternativ hierzu werden vor dem Schweißverfahren mehrere Verstärkungsfasern parallel zwischen zwei Metallfolien angeordnet, wobei zwischen den einzelnen Verstärkungsfasern noch jeweils ein zusätzlicher Metalldraht eingebracht wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass auf das vorherige Aufbringen eines Metallmantels auf die Verstärkungsfaser verzichtet werden kann. Ein gleichmäßiges Aufschmelzen von Metallfolie und Metalldraht wird wiederum durch Verwendung des gleichen Metalls für die Metallfolie als auch den Metalldraht gewährleistet.
  • Vorzugsweise erfolgt nach dem Schweißvorgang eine Konsolidierung des Halbzeugs, um eine homogene Matrix zu gewährleisten.
  • Die Konsolidierung kann beispielsweise durch ein heissisostatisches Pressen als auch durch ein uniaxiales Heißpressen erfolgen.
  • Als Metall kommen grundsätzlich alle schweißbaren Metalle/Metall-Legierungen in Frage, insbesondere Titan und Titanbasislegierungen.
  • Sämtliche bekannte Faserarten können als Verstärkungsfasern verwendet werden. Die Verstärkungsfasern umfassen dabei im wesentlichen die Elemente Silizium (Si), Kohlenstoff (C), Bor (B), Sauerstoff (O), Aluminium (Al) und/oder Stickstoff (N).
    •
  • Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht der prinzipiellen Herstellung eines Halbzeugs aus mehreren Verstärkungsfasern mit einem Metallmantel;
  • 2 eine Übersicht der Darstellung des Herstellungsverfahrens von 1;
  • 3 eine Detailansicht von 2;
  • 4 eine zweite Ausführungsform zur Herstellung eines Halbzeugs aus mehreren Verstärkungsfasern mit einem Metallmantel und Metallfolien;
  • 5 eine dritte Ausführungsform zur Herstellung eines Halbzeugs aus mehreren Verstärkungsfasern, Metalldrähten und Metallfolien;
  • 6 eine Vorrichtung zum Verschweißen und Ablegen einzelner Verstärkungsfasern mit Metallmantel neben weiteren bereits über eine Matrix verbundene Verstärkungsfasern; und
  • 7 eine weitere Ablagemöglichkeit des nach 6 hergestellten Halbzeugs.
  • In 1 ist in einer schematischen Darstellung die Herstellung eines Halbzeugs 10 in Form einer einzelnen mit einer Matrix 12 aus Metall verbundenen Lage aus Verstärkungsfasern 14 dargestellt. Die Verstärkungsfasern 14 wurden mittels eines bekannten PVD-Verfahrens (PVD = physical vapour deposition) mit einem Metallmantel 16 versehen, der den Werkstoff der späteren Matrix 12 bildet. Der Metallmantel 16 weist im Querschnitt eine im Wesentlichen gleiche Dicke auf.
  • Mehrere Verstärkungsfasern 14 mit einem Metallmantel 16 werden nun eng anliegend in einem Bereich 18, in dem im Hinblick auf das Metall des Metallmantels 16 bzw. der Matrix 12 eine Atmosphäre ohne reaktiver Gase herrscht, zusammengeführt. Der Übersicht halber sind in 1 nur drei Verstärkungsfasern dargestellt.
  • In diesem Bereich 18 wirkt eine Strahlenkanone 20, die die in Vorschubrichtung 22 bewegten Verstärkungsfasern 14 mit ihrem Metallmantel 16 in einem Schweißbereich 24 mittels eines Energiestrahl-Schweißverfahrens miteinander verbindet. Im Schweißbereich 24 wird das die Verstärkungsfasern 14 umgebende Metall aufgeschmolzen, so dass die Matrix 12 gebildet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Verstärkungsfasern 14 anschließend entlang ihrer ganzen Länge über die Matrix 12 miteinander verbunden und in einer vorbestimmten Anordnung in der Matrix 12, nämlich in regelmäßigem Abstand sowie parallel zueinander, ausgerichtet.
  • Als Schweißverfahren kann ein Energiestrahlschweißverfahren, ein Laserschweißverfahren oder ein Elektronenstrahlschweißverfahren verwendet werden. Die Atmosphäre ist Vakuum beim Elektronenstrahlschweißen oder eine Inertgas-Atmosphäre beim Laserstrahlschweißen.
  • Durch diese Atmosphäre wird die Oxidation und Verschmutzung der Matrix 12 vermieden.
  • In 2 ist die Zufuhr der einen Metallmantel 16 aufweisenden Verstärkungsfasern 14 in den Schweißbereich 24 dargestellt.
  • Die einen Metallmantel 16 aufweisenden Verstärkungsfasern 14 werden von Rollen 26 abgezogen und einer Führungsvorrichtung 28 zugeführt, in der sich auch der Schweißbereich 24 befindet. Das hergestellte Halbzeug 10 wird nach dem Schweißverfahren zur Lagerung und zum Transport auf eine weitere Rolle 30 aufgewickelt.
  • Der Bereich 18 mit einer Atmosphäre ohne reaktive Gase kann dabei die Führungsvorrichtung 28 mit dem Schweißbereich 24 umfassen oder aber auch den gesamten Prozess vom Abwickeln der einen Metallmantel 16 aufweisenden Verstärkungsfasern 14 von den Rollen 26 über die Führungsvorrichtung 28 bis zum Aufwickeln des Halbzeugs 10 auf die Rolle 30.
  • In 3 ist die Führungsvorrichtung 28 im Detail dargestellt. Die Führungsvorrichtung 28 weist Führungsstege 32 auf, mit deren Hilfe die einen Metallmantel 16 aufweisenden Verstärkungsfasern 14 zielgerichtet in den Schweißbereich 24 geführt werden. Die Führungsvorrichtung 28 kann bei Bedarf gekühlt werden, um die Verstärkungsfasern 14 möglichst gering mit Wärme zu belasten.
  • In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier wird ein Halbzeug 10 aus mehreren parallel angeordneten, einen Metallmantel 16 aufweisenden Verstärkungsfasern 14 und zwei Metallfolien 34 hergestellt. Das Metall des Metallmantels 16 entspricht dabei dem Metall der Metallfolien 34. Das Ganze wird wiederum einer Führungsvorrichtung 36 zugeführt, in der die Metallfolien 34 und die Metallmäntel 16 der Verstärkungsfasern 14 miteinander verschweißt werden. Das aufgeschmolzene Metall der Metallfolien 34 und der Metallmantel 16 der Verstärkungsfasern bilden die Matrix 12 des Halbzeugs. Um eine homogene Matrix 12 des Halbzeugs 10 zu erhalten, kann als weiterer Arbeitsschritt eine Konsolidierung, beispielsweise durch ein heissisostatisches Pressen, durchgeführt werden.
  • Eine weitere Ausführungsform ist in 5 dargestellt. Im Gegensatz zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel sind zwischen den beiden Metallfolien 34 abwechselnd Verstärkungsfasern 16 und Metalldrähte 38 eingebracht. Das Ganze, nämlich Metallfolien 34, Verstärkungsfasern 16 und Metalldrähte 38, wird wiederum einer Führungsvorrichtung 36 zugeführt und anschließend verschweißt, wobei die Matrix 12 durch Verschmelzen der zwischen den Verstärkungsfasern 14 eingebrachten Metalldrähte 38 und den Metallfolien 34 gebildet wird. Eine vorherige Beschichtung der Verstärkungsfasern 14 mit einem Metallmantel 16 ist nicht mehr erforderlich.
  • 6 hat eine Vorrichtung zum Verschweißen und Ablegen der Verstärkungsfasern 14 zum Gegenstand. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Auflage 40, Mittel 42 zur Führung einer Verstärkungsfaser 14, eine auf ein Gestell 44 befestigte Strahlenkanone 20, sowie weitere nicht explizit dargestellte Mittel zur Sicherstellung des Fasernachschubs. Das Gestell 44 der Strahlenkanone 20 und die Mittel 42 zur Führung einer Verstärkungsfaser 14 bilden dabei eine Baueinheit 46, die relativ zur Auflage 40 beweglich ist. Die relative Bewegungsmöglichkeit der Baueinheit 46 bezüglich der Auflage 40 ist in 6 durch die Pfeile 48 angedeutet. Das Verschweißen der Verstärkungsfasern 14 mit dem Metallmantel 16 erfolgt dabei räumlich neben den weiteren bereits auf der Auflage 40 aufgebrachten und über eine Matrix 12 verbundenen Verstärkungsfasern 14. Aufgrund der relativen Bewegungsmöglichkeit über einen Antrieb zwischen Auflage 40 und Baueinheit 46 ist es nun möglich, verschiedene komplizierte Ablagegeometrien in 2D und 3D zu realisieren. Es entsteht ein faserverstärktes Halbzeug 10, das von der Auflage 40 abgenommen und weiterverarbeitet werden kann.
  • In 7 ist eine weitere beispielhafte Ablagemöglichkeit des Halbzeugs 10 dargestellt. Wiederum erfolgt das Anschweißen weiterer Verstärkungsfasern 14 mit Metallmantel 16 räumlich neben den bereits über eine Matrix 12 miteinander verbundenen Verstärkungsfasern 14. Die Auflage 40 zur Ablage des Halbzeugs 10 wird in diesem Fall durch einen rotationssymmetrischen Körper 50 gebildet, der sich entsprechend Pfeil 52 dreht. Hierdurch erfolgt ein Aufwickeln des Halbzeugs 10 auf den Ro tationskörper 50. Das Halbzeug 10 kann dabei sowohl einlagig als auch mehrlagig abgelegt werden.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Herstellung von faserverstärktem Halbzeug (1), insbesondere in Form von Metallbändern oder Metallblechen, aus zumindest einer Faserlage, die mehrere von einander beabstandete und parallel angeordnete lange bis endlose Verstärkungsfasern (14) und ein die Verstärkungsfasern (14) zumindest bereichsweise umgebendes Metall umfasst, dadurch gekennneichnet, dass das Metall mit den Verstärkungsfasern (14) zumindest bereichsweise ein Schweißverfahren durchläuft, bei dem eine Verbindung durch ein flächiges Aufschmelzen des Metalls zu einer die Verstärkungsfasern (14) umgebenden Matrix (12) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall einer Verstärkungsfaser (14) mit dem Metall einer weiteren Verstärkungsfaser (14) oder mit der Matrix (12) von bereits miteinander verbundenen Verstärkungsfasern (14) verschweißt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mehrerer parallel nebeneinander angeordneter Verstärkungsfasern (14) in einem Verfahrensschritt verschweißt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißverfahren ein Energiestrahlschweißverfahren, wie ein Laserschweißverfahren oder ein Elektronenstrahlschweißverfahren, verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Schweißverfahren in einer Atmosphäre ohne reaktive Gase erfolgt, wie Vakuum bei Elektronenstrahlschweißen oder Inertgas-Atmosphäre bei Laserstrahlschweißen.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schweißverfahren die Verstärkungsfaser (14) mit einem Metallmantel (16), beispielsweise im PVD-Verfahren (physical vapour deposition), versehen wird, der nach dem Schweißverfahren das Metall der Matrix (12) bildet.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, 3 und 6 und insbesondere Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schweißverfahren die einen Metallmantel (16) aufweisenden Verstärkungsfasern (14) zwischen zwei Metallfolien (34) angeordnet werden und der Metallmantel (16) der Verstärkungsfasern (14) und die Metallfolien (34) nach dem Schweißverfahren das Metall der Matrix (12) bilden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der Metallfolie (34) dem Metall des Metallmantels (16) entspricht.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, und insbesondere nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schweißverfahren die Verstärkungsfasern (14) zwischen zwei Metallfolien (34) angeordnet werden und jeweils zwischen den Verstärkungsfasern (14) ein Metalldraht (38) eingebracht ist und die Metallfolien (34) und der Metalldraht (38) nach dem Schweißverfahren das Metall der Matrix (12) bilden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der Metallfolie (34) dem Metall des Metalldrahtes (38) entspricht.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Matrix (12) bildende Metall alle schweißbaren Metalle umfasst, insbesondere Titan (Ti64).
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (14) im wesentlichen die Elemente Silizium (Si), Kohlenstoff (C), Bor (B), Sauerstoff (0), Aluminium (Al) und/oder Stickstoff (N) umfassen.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schweißen eine Konsolidierung des Halbzeugs (10) durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsolidierung durch ein heißisostatisches Pressverfahren erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsolidierung durch ein uniaxiales Heißpressen erfolgt.
  16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2 und Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auflage (40) Mittel (18, 20) zum Verschweißen des Metalls der Verstärkungsfasern (14) und Mittel (42) zum Führen der Verstärkungsfasern in und aus einem Schweißbereich aufweist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (18, 20) zum Verschweißen der Verstärkungsfaser (14) und die Mittel (42) zum Führen der Verstärkungsfaser (14) eine Baueinheit (46) bilden.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb vorgesehen ist, der eine Relativbewegung (48) zwischen Auflage (40) und Baueinheit (46) ermöglicht.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (18, 20) zum Verschweißen der Verstärkungsfaser (14) eine Strahlenkanone (20) und eine Kammer (18) zum Ausschluss reaktiver Gase umfassen.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage (40) als ein rotationssymmetrischer Körper (50) ausgebildet ist.
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