EP1592535B1 - Verfahren zur vorbereitung von oberflächen kohlenstofffaserverstärkter kunststoffe für die weiterverarbeitung zu tragenden strukturteilen - Google Patents

Verfahren zur vorbereitung von oberflächen kohlenstofffaserverstärkter kunststoffe für die weiterverarbeitung zu tragenden strukturteilen Download PDF

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EP1592535B1 EP03795730A EP03795730A EP1592535B1 EP 1592535 B1 EP1592535 B1 EP 1592535B1 EP 03795730 A EP03795730 A EP 03795730A EP 03795730 A EP03795730 A EP 03795730A EP 1592535 B1 EP1592535 B1 EP 1592535B1
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/06—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for producing matt surfaces, e.g. on plastic materials, on glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D3/00—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials
    • B05D3/12—Pretreatment of surfaces to which liquids or other fluent materials are to be applied; After-treatment of applied coatings, e.g. intermediate treating of an applied coating preparatory to subsequent applications of liquids or other fluent materials by mechanical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D7/00—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/02—Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to macromolecular substances, e.g. rubber

Definitions

  • the invention relates to a method for the preparation of plastic surfaces, namely surfaces of semi-finished carbon fiber reinforced plastic, for further processing to structural parts by means of adhering, in particular to wings of aircraft, by abrasive removal of the surface.
  • the surfaces intended for further processing by gluing are first ground and elaborate quality assurance measures taken to control the grinding result.
  • a waterbreak test is carried out, which uses the different surface tension of ground and contaminated surfaces in order to determine the quality of the grinding result u.
  • the adhesive surface is completely wetted with deionized water. Then the surface is placed vertically, so that the water can drain off. When the surface is well cleaned, the water flows evenly. At polluted places water pearls form. Such places must be reground. To remove the water or a residual moisture, the parts must be dried in the oven.
  • the object of the invention is to provide a method for the preparation of plastic surfaces, namely surfaces of semi-finished carbon fiber reinforced plastic, for further processing to structural parts by means of sticking, in particular to wings of aircraft, by abrasive removal of the surface to propose that the risk of separation of Fibers reduced but at the same time allows a higher strength of the bond with less rework.
  • This object is achieved in the generic method in that the removal takes place by blasting the surface by means of a distributed in a gaseous fluid blasting agent. Measure the time it takes to get the surface down to the fiber ablate, ie destroy, surprisingly enough, about the tenth part of this time to achieve sufficient for the bonding treatment of the surface. The quality of this surface surpasses that of a polished surface. In fracture tests, the components fail not at the splice, but in the base material, which advantageously increases the capacity of the bonded structural parts.
  • Contamination of the mechanically cleaned surface by the fluid is advantageously avoided by the fact that the gaseous fluid is dried and de-oiled air.
  • An advantageous uniform work result can be achieved by the blasting agent is applied by means of a low-pressure jet, preferably from a pressure vessel with less than 2.5 bar, to the surface to be treated.
  • the same purpose serves the measure that the blasting agent is applied by means of a vortex jet nozzle to the surface to be treated.
  • the orbiting jet of the vortex jet nozzle prevents the formation of disadvantageous so-called hot spots.
  • optical control of the work result is sufficient to ensure sufficient surface quality.
  • the treatment with the blasting agent is carried out until an almost cloud-free matte treated surface is reached. This quality is advantageous according to the DIN EN ISO 12944-4 SA 2.5 on the Work result defined. Elaborate water-break tests with drying steps in elaborate because large ovens can be omitted.
  • a quality control of the treated surface is carried out by measuring a surface resistance and / or by visual inspection on the basis of a comparative sample.
  • the reproducibility of the work result is further improved if the treatment takes place in an air-conditioned, preferably draft-free, environment.
  • the surface is vacuum-packed for transport.
  • Such a package is already sufficient to transfer the operation according to the invention from the dust-sensitive component assembly to external suppliers.
  • the statistical stability of the work result with its qualitative advantages is further improved if the abrasive is not circulated.
  • ablated particles of the base material remain in the blasting agent.
  • the preparation by means of magnetic separators is not possible with the plastics to be treated by the process according to the invention, since they are non-magnetic. You must therefore by means of Windscreens or be worked up by flotation. The absence of a preparation also saves these process steps.
  • the surface for further processing into structural parts, in particular aircraft airfoils is shaped by treatment in one or more of the above methods by means of a jet dispersed in a gaseous fluid.
  • prepregs are pretreated by pressure blasting method according to the invention for bonding eg with stringers on outer skins, Tiesverklebung, ribs, fittings, etc.
  • the method causes a low material removal, without affecting the dimensional accuracy of the component is impaired. It cleans the surface by a mechanical removal of the surface, which can be dosed but particularly advantageous. There is an approx. 10-fold safety against damage to fibers of the plastic.
  • the blast treatment is carried out dry, the effect on the component surface being determined essentially by the choice of blasting medium. The surface roughness is determined primarily by the blasting agent and the pressure.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen, nämlich von Oberflächen von Halbzeugen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, für die Weiterverarbeitung zu tragenden Strukturteilen mittels kleben, insbesondere zu Tragflächen von Fluggeräten, durch abrasiven Abtrag der Oberfläche.
  • Aus der US 5 261 191 und der DE 197 29 891 sind Verfahren zur Behandlung von Oberflächen von Kunststoffen bekannt.
  • Derartig vorbereitete Oberflächen werden im modernen Flugzeugbau benötigt, um durch die Verarbeitung kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe noch leichtere Strukturen bauen zu können. Beispielsweise müssen die Klebeflächen der Ober- und Unterschale von Tragflächen sorgfältig vorbehandelt werden, bevor sie zum fertigen Flügel verklebt werden. Dabei sind zwischen den Schalen auch Spanten und Stringer einzulaminieren.
  • Die im Betrieb extrem belasteten Strukturteile dürfen nicht versagen. Erfahrungsgemäß sind Klebestellen jedoch häufig, aufgrund von Fehlstellen geringerer Festigkeit als der Grundwerkstoff, Ursache für eine nicht zu tolerierende Schwächung des Strukturteils.
  • Zur Vermeidung solcher Fehlstellen werden die für die Weiterverarbeitung durch Kleben vorgesehenen Oberflächen zunächst geschliffen und aufwendige Qualitätssicherungsmaßnahmen getroffen, um das Schleifergebnis zu kontrollieren.
  • Beim Schleifen laminierter rauer Oberflächen besteht die Gefahr, daß die festigkeitsbestimmenden Fasern durch den Schleifprozess verletzt werden. Hierfür sind optische Kontrollen erforderlich, da durchgeschliffene Fasern unzulässig sind. Zusätzlich wird eine Messung des Oberflächenwiderstandes vorgenommen.
  • Zur Ermittlung verunreinigter Stellen wird ein Waterbreak-Test durchgeführt, der die unterschiedliche Oberflächenspannung geschliffener und verunreinigter Flächen nutzt, um eine Aussage über die Qualität des Schleifergebnisses u treffen. Dabei wird die Klebefläche mit entionisiertem Wasser vollständig benetzt. Anschließend wird die Fläche senkrecht gestellt, damit das Wasser abfließen kann. Bei gut gereinigter Oberfläche fließt das Wasser gleichmäßig ab. An verschmutzten Stellen bilden sich Wasserperlen. Solche Stellen müssen nachgeschliffen werden. Zur Entfernung des Wassers bzw. einer Restfeuchtigkeit müssen die Teile noch im Ofen getrocknet werden.
  • Schon bei der Konstruktion der Strukturteile ist der für diese Bearbeitungsschritte notwendige Platzbedarf der Schleifmaschinen zu berücksichtigen. Besonders im Innenraum des Flügels ist die Erreichbarkeit enger sackartiger Räume mit der Schleifmaschine nur unter Schwierigkeiten gegeben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen, nämlich von Oberflächen von Halbzeugen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, für die Weiterverarbeitung zu tragenden Strukturteilen mittels kleben, insbesondere zu Tragflächen von Fluggeräten, durch abrasiven Abtrag der Oberfläche vorzuschlagen, das die Gefahr der Durchtrennung von Fasern verringert aber gleichzeitig eine höhere Festigkeit der Klebung bei geringerer Nacharbeit ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß der Abtrag durch Strahlen der Oberfläche mittels eines in einem gasförmigen Fluid verteilten Strahlmittels erfolgt. Misst man die Zeit, die benötigt wird, um die Oberfläche üblicherweise bis auf die Faser abzutragen, d. h. zu zerstören, so reicht überraschender Weise etwa der zehnte Teil dieser Zeit, um eine für die Klebung ausreichende Behandlung der Oberfläche zu erzielen. Die Qualität dieser Oberfläche übertrifft sogar die einer geschliffenen Oberfläche. Bei Bruchversuchen versagen die Bauteile nicht an der Klebestelle, sondern im Grundwerkstoff, was die Belastbarkeit der geklebten Strukturteile vorteilhaft erhöht.
  • Eine Verschmutzung der mechanisch gereinigten Oberfläche durch das Fluid wird mit Vorteil dadurch vermieden, daß das gasförmige Fluid getrocknete und entölte Luft ist.
  • Besonders haltbare Verklebungen wurden erzielt, wenn als Strahlmittel ein scharfkantiges Korundkorn, vorzugsweise in einem Korngrößenbereich zwischen 0 und 90 µm, insbesondere zwischen 17 und 62 µm, verwendet wird.
  • Ein vorteilhaft gleichmäßiges Arbeitsergebnis lässt sich dadurch erreichen, das Strahlmittel mittels eines Niederdruckstrahls, vorzugsweise aus einem Druckkessel mit weniger als 2,5 bar, auf die zu behandelnde Oberfläche aufgebracht wird.
  • Demselben Zweck dient die Maßnahme, daß das Strahlmittel mittels einer Wirbelstrahldüse auf die zu behandelnde Oberfläche aufgebracht wird. Der umlaufende Strahl der Wirbelstrahldüse verhindert die Bildung nachteiliger sogenannter Hot Spots.
  • Es reicht vorteilhaft eine optische Kontrolle des Arbeitsergebnisses aus, um eine ausreichende Qualität der Oberfläche sicherzustellen. Die Behandlung mit dem Strahlmittel solange erfolgt, bis eine fast wolkenfreie matte behandelte Oberfläche erreicht ist. Diese Qualität wird vorteilhaft entsprechend in Anlehnung an die DIN EN ISO 12944-4 SA 2,5 über das Arbeitergebnis definiert. Aufwendige Waterbreak-Tests mit Trocknungsschritten in aufwendigen weil großen Öfen können entfallen.
  • Zur Nachbearbeiten der behandelten Oberfläche reicht es überraschend aus, wenn die behandelte Oberfläche zur Entfernung des Strahlmittels mit getrockneter und ölfreier Druckluft abgeblasen wird. Noch etwaig in die Oberfläche tiefer eingebrachte einzelne Körner des Strahlmittels wirken überraschender Weise nicht nachteilig.
  • Für die Qualitätssicherung ist ausreichend, daß eine Qualitätskontrolle der behandelten Oberfläche durch Messung eines Oberflächenwiderstandes und/oder durch optische Kontrolle anhand einer Vergleichsprobe erfolgt.
  • Die Reproduzierbarkeit des Arbeitsergebnisses wird noch zusätzlich verbessert, wenn die Behandlung in einer klimatisierten, vorzugsweise zugluftfreier, Umgebung erfolgt.
  • Vor dem Transport der behandelten Teile zur Weiterverarbeitung ist vorgesehen, daß die Oberfläche für einen Transport vakuumverpackt wird. Eine solche Verpackung reicht bereits aus, um den erfindungsgemäßen Arbeitsgang aus der staubempfindlichen Bauteilmontage nach außen Zulieferern zu übertragen.
  • Die statistische Stabilität des Arbeitsergebnisses mit seinen qualitativen Vorteilen wird noch verbessert, wenn das Strahlmittel nicht im Kreis geführt wird. Bei der sonst in der Strahltechnik üblichen Aufbereitung des Strahlmittels kann nicht ausgeschlossen werden, daß abgetragene Teilchen des Grundwerkstoffes im Strahlmittel verbleiben. Die Aufbereitung mittels Magnetabscheidern ist bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu behandelnden Kunststoffen nicht möglich, da sie unmagnetisch sind. Sie müssen deshalb mittels Windsichten oder durch Flotation aufgearbeitet werden. Der Verzicht auf eine Aufbereitung erspart auch diese Verfahrensschritte.
  • Bei einem Halbzeug aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff wird die Oberfläche für die Weiterverarbeitung zu tragenden Strukturteilen, insbesondere zu Tragflächen von Fluggeräten, durch eine Behandlung nach einem oder mehreren der vorstehenden Verfahren mittels eines in einem Strahl eines in einem gasförmigen Fluid verteilten Strahlmittels geformt.
  • Beispielsweise werden Prepregs im Druckstrahlverfahren erfindungsgemäß zum Verkleben z.B. mit Stringern auf Außenhäuten, Tiesverklebung, Rippen, Beschläge usw. vorbehandelt. Das Verfahren bewirkt einen geringen Materialabtrag, ohne das sich die Maßgenauigkeit des Bauteils beeinträchtigt wird. Es reinigt die Oberfläche durch einen mechanischen Abtrag der Oberfläche, der jedoch besonders vorteilhaft genau dosiert werden kann. Es besteht eine ca. 10-fache Sicherheit gegen Verletzung von Fasern des Kunststoffes. Die Strahlbehandlung wird trocken durchgeführt, wobei die Wirkung auf die Bauteiloberfläche wesentlich durch die Wahl des Strahlmittels bestimmt wird. Die Oberflächenrauhigkeit wird in erster Linie durch das Strahlmittel und den Druck bestimmt. Besonders gute Ergebnisse erzielte man bei Verwendung einer Wirbelstrahldüse der Typenbezeichnung Roto Soft Blast Mate Etc Roto Soft Strahldüsen DK 8,5/M, bei denen die Zuführung von Strahlmittel in Scalierung 2 cm Dosierventil eingestellt war. Die Speisung mit Druckluft erfolgte unter 2,5 bar bei Einsatz eines Druckstrahlkessels der Firma Blast Mate. Als Strahlmittel wurde Edelkorund weiß 0,07 bis 0 mm benutzt. Nachdem in Anlehnung an die DIN EN ISO 12944-4 SA 2,5 ein fast wolkenfreies Strahlbild erreicht wurde, erfolgte lediglich eine Entstaubung der Oberfläche mittels gereinigter Druckluft.
  • Im Ergebnis übertraf die Qualität der so erzeugten Oberfläche die bisher durch Schleifen erzielten Qualitäten bei weitem.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen, nämlich von Oberflächen von Halbzeugen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, für die Weiterverarbeitung zu tragenden Strukturteilen mittels Kleben, insbesondere zu Tragflächen von Fluggeräten, durch abrasiven Abtrag der Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrag durch Strahlen mittels eines in einem gasförmigen Fluid verteilten Strahlmittels erfolgt.
  2. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige Fluid getrocknete und entölte Luft ist.
  3. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlmittel ein scharfkantiges Korundkorn, vorzugsweise in einem Korngrößenbereich zwischen 0 und 90 µm, insbesondere zwischen 17 und 62 µm, verwendet wird.
  4. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel mittels eines Niederdruckstrahls, vorzugsweise aus einem Druckkessel mit weniger als 2,5 bar, auf die zu behandelnde Oberfläche aufgebracht wird.
  5. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel mittels einer Wirbelstrahldüse auf die zu behandelnde Oberfläche aufgebracht wird.
  6. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Behandlung mit dem Strahlmittel solange erfolgt, bis eine fast wolkenfreie matte behandelte Oberfläche erreicht ist.
  7. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die behandelte Oberfläche zur Entfernung des Strahlmittels mit getrockneter und ölfreier Druckluft abgeblasen wird.
  8. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Qualitätskontrolle der behandelten Oberfläche durch Messung eines Oberflächenwiderstandes und/oder durch optische Kontrolle anhand einer Vergleichsprobe erfolgt.
  9. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung in einer klimatisierten, vorzugsweise zugluftfreier, Umgebung erfolgt.
  10. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche für einen Transport vakuumverpackt wird.
  11. Verfahren zur Vorbereitung von Kunststoffoberflächen nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel nicht im Kreis geführt wird.
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