Verbundwerkstoffelement und Verfahren für Reparatur und Herstellung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen

Die Erfindung betrifft ein flexibles flächiges Element für die Herstellung und Reparatur von Bauteilen aus Glas- oder Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen, das Glas- oder Kohlenstofffasern und ein durch Wärme aushärtbares und/oder zu vernetzendes Material enthält, in dem die Glas- oder Kohlenstofffasern eingebettet sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren für die Herstellung und Reparatur dieser Bauteile .

Bauteile aus Glas- oder Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen finden immer weitere Verbreitung. Für immer mehr Anwendungen erweisen sie sich Metallen wie Stahl oder Aluminium, insbesondere auch aus Gewichtsgründen, überlegen. Insbesondere wegen der Glas- oder Kohlenstofffasern sind sie sehr zugfest. Besonders hochwertige Faserverbundbauteile wie Fü- gel für Windkraftanlagen, Leitwerke von Flugzeugen oder Flugzeugflügel oder andere hochwertige Bauteile für die Luftfahrt-, Bootsbau- oder Militärindustrie werden vorwiegend in aufwändig temperierbaren Formen hergestellt und an- schließend mit Vakuum-Membranpressen und/oder durch die zusätzliche Verbringung von Bauteilen mitsamt Formen in Au-

BESTATIGUNGSKOPtE

toklaven verdichtet, entlüftet und unter hohem Druck und Temperatur vernetzt.

Tritt eine Beschädigung in oder an einem solchen Bauteil auf, indem z. B. dort ein Loch herausgeschlagen wird, ein Riss oder Bruch entsteht, so ist an dieser Stelle möglicherweise eine ausreichende Festigkeit nicht mehr gegeben und das gesamte Bauteil ist nicht mehr zu nutzen. In der Luftfahrt ist es Stand der Technik, dass nur kleine Struk- turschäden repariert werden dürfen, weil keine reproduzierbar herstellbare und belastbare Reparatur möglich ist.

Es ist daher das dringlichste Ziel, eine Beschädigung wieder mit möglichst dem gleichen, oder einem gleichwertigen, qualitativ hochwertigem Faserverbundstoff so zu schließen, dass die Belastbarkeit wieder hergestellt und die Reparatur reproduzierbar überwacht werden kann. Die Komponente, die aushärten soll bzw. vernetzt werden soll, muss dabei maschinell im genau richtigen Mischungsverhältnis sorgfältig und gründlich gemischt verarbeitet werden. Die Verbundwerkstofffasern, -Gelege oder -Gewebe müssen genau in der optimalen Form und Lage verlegt werden, die Beaufschlagung mit Druck und Temperatur muß reproduzierbar und messbar in vergleichbarer Weise erfolgen wie bei der ursprünglichen Her- Stellung des Bauteils.

Apparate zur Druck- und Temperaturbeaufschlagung, Legeapparate sowie Mischvorrichtungen stehen bei Außenarbeiten, insbesondere bei der Reparatur kleinerer Beschädigungen nicht oder nur unter sehr aufwändigen Umständen zur Verfügung.

Es ist bekannt, die Reparaturstelle (Ausnehmung) mit sogenannten Nasslaminaten zu verfüllen; hierbei werden die Fasermatten, -Gewebe oder -Gelege mit einer Matrix benetzt, welche dann vorwiegend unter von außen zugeführter Tempera- tur und oftmals mit einem von außen über Vakuumfolienpressen oder Vakuumsäcke aufgebrachten Druck ausgehärtet bzw. vernetzt wird.

Es ist auch bekannt, einzelne Schichten in die Ausnehmung der Beschädigung, die falls erforderlich noch geschäftet, gerade oder anders geeignet ausgeschnitten oder angeschliffen wurde, hineinzulaminieren. Dies kann aber nicht so gleichmäßig erfolgen wie während der Herstellung des ursprünglichen Bauteils; auch kann der Druck und die Tem- peratur, die bei der Herstellung z.B. durch komplette

Verbringung des Bauteils in einen Autoklav geherrscht hat, weder so gleichmäßig noch so hoch an die Reparaturstelle herangebracht werden, was in der Reparaturstelle zu einer geringeren Festigkeit als in der ursprünglichen Struktur führt.

Es sind auch sogenannte Prepregs bekannt, die aus einzelnen Schichten eines maschinell vorimprägnierten, aushärtbaren und/oder zu vernetzenden Verbundwerkstoffs bestehen der bis zur Verarbeitung tiefgekühlt gelagert werden muss. Diese Prepregs werden dann einzeln, wie auch beim Nasslaminat, in geeigneter Form in der Ausnehmung verlegt und fixiert.

Diese Prepregs haben wegen der maschinellen Vorimprägnierung eine sehr hohe Reproduzierbarkeit und Qualität. Sie sind aber auch zwingend bei höheren Temperaturen und unter Druck zu verarbeiten.

Dieser Druck wird bei der Reparatur nach der Befüllung der Ausnehmung vorwiegend durch die Verpressung mit Vakuum- Folienpressen oder in Vakuumsäcken realisiert; hiermit wird maximal die Differenz des Atmosphärendruckes gegen das zwi- sehen Folie und Reparaturstelle wirkende Vakuum genutzt. Die Temperatur wird unter hohen Energieverlusten durch Strahler, Heizmatten oder Heizkissen an die Reparaturstelle und seine Umgebung herangeführt, ohne jedoch eine gleichmäßige Temperierung zu gewährleisten.

Ein weiteres Problem dabei ist, dass die Oberfläche stärker beheizt wird als die darunter liegenden Schichten und dass die Drücke wesentlich geringer sind als die Drücke während der Herstellung des Bauteiles im Autoklav. Dieses Verfahren wird zwar weitgehend akzeptiert und ist Stand der Technik, ist aber bei weitem noch nicht dafür geeignet, Strukturschäden belastbar zu reparieren.

Die Aufgabe der Erfindung steht in der Schaffung von fle- xiblen flächigen Elementen, mit denen defekte Stellen an

Bauteilen aus Glas- oder Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen einfach und zuverlässig repariert werden können, wobei eine höhere Festigkeit der reparierten Stelle durch gleichmäßigere Beheizung erreicht wird als im Stand der Technik, und aus denen auch Bauteile aus Glas- oder Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen hergestellt werden können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines transportablen Werkzeugs zur Bereitstellung eines hö- heren Druckes an der Reparaturstelle als im Stand der Technik bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Elemente.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Isolierung der Reparaturstelle, so dass während der Reparatur weniger Energie entweicht als im Stand der Technik.

Noch ein Ziel der Erfindung steht in der Registrierung und Protokollierung der Prozessparameter in der Reparaturstelle während der Reparatur zur Dokumentation der Qualität und der Reproduzierbarkeit.

Eine erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass das flexible flächige Element beheizbar ausgebildet ist. Hierbei kann es sich um ein trockenes Element handeln, welches zur Naßlaminierung oder für Injektionsverfahren eingesetzt wird, oder um ein Prepreg oder anders vorimprägniertes EIe- ment .

Das Element kann als Reparaturelement einzeln, oder aber in Schichten an der zu reparierenden Stelle, nachdem diese, falls erforderlich, vorher durch Schneiden, Fräsen, Schlei- fen oder dergleichen behandelt worden ist, eingebracht oder angebracht werden. Anschließend werden dann die so ein- oder angebrachten Reparaturelemente beheizt. Die Beheizung erfolgt dabei nicht durch Heizmatten oder Strahler, sondern vom Inneren des Reparaturelements her. Auf diese Weise kann man z. B. eine gleichförmige Erwärmung bei mehrschichtig übereinander liegenden Reparaturelementen erreichen. Es kann aber auch nur eine einzelne Lage zu Heizung genutzt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform besteht das Element aus vorimprägnierten Kohlefasern, wobei das Element an zwei gegenüberliegenden Enden mit jeweils einem elektrisch leitenden Kontaktglied verbunden ist. Legt man an die beiden

Kontaktglieder eine Spannung an, so fließt ein Strom durch die Kohlenstofffasern, wodurch das Element erwärmt wird und das aushärtbare und/oder zu vernetzende Material dann aushärtet bzw. vernetzt wird.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist das aushärtbare und/oder zu vernetzende Material elektrisch leitend, wobei das Element an zwei gegenüberliegenden Enden je mit einem elektrischen leitenden Kontaktglied versehen ist, das mit dem aushärtbaren und/oder zu vernetzenden Material elektrisch leitend verbunden ist. In diesem Falle ist es das aushärtbare und/oder zu vernetzende Material, das den Strom leitet, sich dabei erwärmt und dadurch die Heizwirkung schafft. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft im Falle von mit Glasfasern versehenen Verbundwerkstoffen, obwohl auch im Falle von Kohlenstofffasern das aushärtbare und/oder zu vernetzende Material elektrisch leitfähig sein kann.

Die Kontaktglieder können leisten- oder streifenförmig sein. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform ist an den gegenüberliegenden Enden ein Metallstreifen, insbesondere Kupferstreifen um den Rand gebördelt, wobei insbesondere noch ein Metallpulver oder eine leitende Paste zwi- sehen Element und Metallstreifen zur Kontaktverbesserung vorgesehen sein kann.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist das Element ein mikrowellenabsorbierendes Material auf. Auch in diesem Falle wird die Wärme erst innerhalb des Elements erzeugt. Bei noch einer anderen Ausführungsform weist das Element ein Ultraschall absorbierendes Material auf. Bei einer anderen Ausführungsform weist das Element induktiv

beheizbare elektrisch leitende Elemente, insbesondere feine Metallringe auf. In allen drei der letztgenannten Fälle wird von außen keine Wärme zugeführt. Diese entsteht erst innerhalb der Elemente durch die Wechselwirkung des Materi- als der Elemente mit der äußeren Strahlung bzw. den äußeren elektromagnetischen Wechselfeldern, die auf das Element gerichtet werden, um eine induktive Heizung zu bewirken.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist das Element wärmestrahlungabsorbierendes Material auf.

Bei anderen vorteilhaften Ausführungsformen weist das Element UV-strahlungabsorbierendes Material auf.

Bei einer noch weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Element metallische Heizdrähte auf. Diese tragen ebenfalls zur Stabilität und Festigkeit des verwendeten Materials bei und können zudem zur überwachung und Messung genutzt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Element durch Druck, Temperatur, Schwingung oder Strahlung platzende und oder sich lösende Mehrkomponentenkapseln, oder einer Mischung aus Kapseln mit mehreren Komponenten auf, deren Ver- mischung oder Aktivierung eine wärmeabgebende oder vernetzende Wirkung hat. Nachdem also das Element als Reparaturelement oder die Reparaturelemente an dem Bauteil angebracht sind, kann die Wärmeerzeugung oder Vernetzung durch Druck, Temperatur, Schwingung oder Strahlung aktiviert wer- den.

Erfindungsgemäße kann ein Werkzeug zur Druckerhöhung bei der Anwendung der Elemente verwendet werden, das eine außenliegende Vakuumkammer aufweist, die um eine

ßenliegende Vakuumkammer aufweist, die um eine innenliegende, insbesondere konzentrische Druckkammer angeordnet ist und diese gegen die entgegengerichtete Kraft, welche die innenliegende Druckkammer auf die zu reparierende Ausneh- mumg ausübt, auf die umgebende Vakuumkammer umleitet und somit die erforderliche Einleitung dieser in die um die Reparaturfläche umgebende Fläche realisiert. Die Flächen sind so zu bemessen, dass das Produkt der Projektion der Vakuumfläche und der Größe des wirksamen Unterdrucks stets größer ist als das der Projektion der innenliegenden Druckfläche und dem dort wirksamen Druck auf die Reparaturfläche.

Ein wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das die Reparaturstelle umgebende Vaku- um, welches das Druckwerkzeug um die Reparaturfläche herum festhält, mit seinem extrem niedrigen Wärmeleitwert eine extrem hohe Isolation bietet und die Wärme an der Reparaturstelle hält.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Struktur- und Heizfäden aus Kohlenstoff ebenso wie metallische Fäden oder Sensoren in dem Reparaturelement als Sensoren für Temperatur und Druck eingebettet sind und im Reparaturelement die Zustände während der Reparatur und danach aufnehmen und protokollieren. Damit wird neben der Qualitätskontrolle die Reparaturstelle während und nach der Reparatur auf Fehler und mögliche Veränderung überwacht. Eventuell auftretende Abweichungen werden protokolliert und führen ggf. zu Warnungen, Fehlermeldungen und frühzeitiger Schadensvermei- düng.

Ein Verfahren zum Reparieren von Bauteilen aus Glas- oder Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen, bei dem die beschädigte

Stelle gereinigt und ggf. ausgeschnitten wird und dann mit mehreren Lagen von Glas- oder Kohlenstofffasern und ein durch Wärme aushärtbares und/oder zu vernetzendes Material enthaltende Reparaturelemente gefüllt wird, die nacheinan- der oder gleichzeitig Wärme ausgesetzt werden, zeichnet sich dadurch aus, dass Reparaturelemente verwendet werden, wie sie obenstehend aufgezählt wurden. Dies geschieht vorteilhafterweise, indem die Reparaturstelle durch ein Druckkissen oder eine um dieselbe gebildete Druckkammer unter Druck gesetzt wird.

Es wird also die beschädigte Stelle, falls erforderlich, zunächst sauber bearbeitet. Anschließend werden dann eine oder mehrere Schichten von Reparaturelementen angebracht bzw. in die Ausnehmung eingebracht. Diese Reparaturelemente werden dann nacheinander oder gleichzeitig entsprechend den besonderen Eigenschaften der Reparaturelemente beheizt, d. h. durch elektrischen Strom, durch Mikrowellen, Ultraschall, elektromagnetische Wechselfelder oder Wärmestrah- lung. Nachdem die Reparaturelemente ausgehärtet und/oder vernetzt sind, kann die Reparaturstelle noch bearbeitet werden, indem sie glattgeschliffen wird und/oder indem eine Deckschicht aufgebracht wird.

Falls die Aushärtung und/oder Vernetzung exotherm stattfindet, kann, wenn übermäßige Erwärmung vermieden werden muss, während der Aushärtung/Vernetzung durch Einsatz von geeigneten Medien direkt in der Druckkammer gekühlt werden.

Bei dem Verfahren der Erfindung kann die Beheizung der Reparaturelemente zeitlich gestaffelt oder gleichzeitig erfolgen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 ein beschädigtes Bauteil im Querschnitt;

Fig. 2 das Bauteil der Fig. 1, nachdem die beschädigte Stelle glatt geschliffen oder glatt geschnitten ist;

Fig. 3 die beschädigte Stelle nach Einfügen mehrerer erfindungsgemäßer Reparaturelemente;

Fig. 4 das Bauteil der Fig. 1 nach Fertigstellung der Reparatur;

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Reparaturelement;

Fig. 6 das Prinzip eines Druckwerkzeugs, das in Verbin- düng mit dem Reparaturelement der Erfindung verwendet werden kann.

Das in den Figuren gezeigte Bauteil 1 ist bei 2 beschädigt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Nachdem die beschädigte Stelle 2, wie in Fig. 2 dargestellt ist, glatt geschliffen ist, werden mehrere erfindungsgemäße Reparaturelemente 3 in die beschädigte Stelle 2 eingefügt. Diese sind verhältnismäßig dünn und flexibel und beinhalten Kohlenstoff- oder Glasfasern, die in ein aushärtbares und/oder zu vernetzen- des Material eingebettet sind. Damit dieses Material nicht frühzeitig aushärtet bzw. vernetzt, wird es bis zur Reparatur bei tiefen Temperaturen, insbesondere -18 ⁰ C aufbewahrt. Die Reparaturelemente werden maschinell hergestellt, so

dass die Mischung der Komponenten des Materials, das aushärten oder vernetzen soll, sehr genau eingestellt werden kann.

Die Reparaturelemente 3 sind an zwei gegenüberliegenden

Rändern mit leistenförmigen Kontaktgliedern 4 versehen, die mit leitenden Kohlenstofffasern, elektrischen Drähten und/oder dem elektrisch leitenden aushärtbaren und/oder zu vernetzenden Material verbunden sind. An diese leistenför- migen Kontaktglieder 4 wird eine Spannung angelegt, so dass sich die Reparaturelemente 3 erwärmen.

Nachdem das Material ausgehärtet und/oder vernetzt ist, wird die Reparaturstelle flachgeschliffen und ggf. mit ei- ner Abdeckung 5 versehen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

In den Figuren 3 und 4 sind nur zwei bzw. drei Reparaturelemente 3 gezeigt. In der Praxis werden, insbesondere bei größeren Beschädigungen, eine größere Anzahl solcher Repa- raturelemente 3 verwendet.

Die Reparaturelemente müssen auch nicht mit Kontaktleisten 4 versehen sein, wenn sie auf andere Weise erwärmt werden, z. B. durch Mikrowellen, Ultraschall oder Wärmestrahlung. Es wäre auch möglich, die Reparaturelemente 3 mit Mehrkomponentenkapseln zu versehen, die bei Druckausübung Wärme abgeben. Eine weitere Möglichkeit besteht in der induktiven Heizung, indem die Reparaturelemente 3 induktiv beheizbare Elemente, insbesondere kleine Metallringe aufweisen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Aufheizung nur eines Reparaturelementes, wobei die im Material vorhandene Wärmeleitung ausreicht, um eine Vernetzung/Aushärtung in der Tiefe zu erreichen.

In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes Reparaturelement 3 gezeigt, das am Rande leitende streifenförmige Elemente 4 aufweist, die mit quer durch das Element 3 verlaufenden Kohlenstofffasern 6 elektrisch verbunden sind. Die Kohlenstofffasern 6 sind dabei in ein aushärtbares und/oder zu vernetzendes Material 7 eingebettet.

Zur Ausübung des nötigen Druckes zur Verdichtung der Repa- raturfläche während der Vernetzung wird die Reparaturfläche z.B. mit einer Folie abgedeckt, zur Umgebung abgedichtet und mit einem Vakuum beaufschlagt, so dass die Folie die Reparaturfläche verdichtet .

Für den Einsatz höherer Drücke wird ein erfindungsgemäßes Werkzeug eingesetzt, welches sich durch die Beaufschlagung des äußeren Rings mit Vakuum auf der die Reparaturfläche umgebenden Fläche festsaugt und dem Druckraum die nötige Haltekraft zur Beaufschlagung der Reparaturfläche mit einem zusätzlichen Druckpolster bietet. Das Druckpolster kann wahlweise mechanisch oder durch Luft- oder Fluiddruck auf die Reparaturfläche wirken, wobei die Fluide zur zusätzlichen Heizung oder Kühlung der Reparaturfläche genutzt werden können.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist in Fig. 6 gezeigt. Es weist ein inneres flexibles sackförmiges Element 8 auf, das über eine Leitung 9 mit Druck beaufschlagt werden kann, was durch den Pfeil 10 verdeutlicht wird. Auch eine Erwärmung durch Einführung oder Zirkulation eines erwärmten Fluids ist möglich. Das sackförmige Element wird auf die Reparaturstelle 2 aufgebracht, um die Reparaturelemente 3 mit Druck zu beaufschlagen und gegebenenfalls zu

erwärmen. Das sackförmige Element 8 wird dabei durch ein ringförmiges Element 11 gegen das Bauteil 1 gedrückt, das mit ringförmigen Dichtungen 12 und 13 am Bauteil 1 dichtend anliegt und mit Unterdruck beaufschlagt ist, was durch den Pfeil 14 angedeutet wird. Dieses Element 11 besitzt eine gewisse Nachgiebigkeit, um das sackförmige Element 8 gegen das Bauteil 1 drücken zu können. Andererseits muss es aber wenigstens zum Teil, auch unter Unterdrück, ungefähr die Form annehmen können, die in Fig. 6 gezeigt ist.

Diese Anordnung realisiert auch die beschriebene Isolierung der Reparaturfläche gegen Energieverlust und realisiert eine thermisch isolierte Druckkammer.

Die beschriebenen Verfahrensabläufe sind ebenfalls zur Herstellung von Bauteilen selbst einsetzbar, damit auf aufwendige, teure und energieintensive beheizte Formen verzichtet werden kann, weil die Bauteile durch Einlage von erfindungsgemäßen Heizelementen aus ihrer eigenen Struktur ener- giesparend und reproduzierbar hergestellt werden können.

Insbesondere ist auch der Betrieb von Formen nach dem Prinzip der isolierenden Druckkammer möglich.