Verfahren zum Beschichten eines Faserverbundbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug und durch ein derartiges Verfahren hergestelltes Faserverbundbauteil

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten eines Faserverbundbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug und auf ein durch ein derartiges Verfahren hergestelltes Faserverbundbauteil .

Im Flugzeugbau werden bis heute für Strukturbauteile noch überwiegend Metalle verwendet, welche hinsichtlich der mechanischen und technologischen Eigenschaften und ihres Langzeitverhaltens während der Lebensdauer eines Flugzeugs sehr gut charakterisiert sind. Sie erfüllen heutzutage jedoch die For- derungen nach GewichtsOptimierungen nicht optimal. Daher wurden verschiedene andere Verbundwerkstoffe weiterentwickelt und optimiert, damit sie, bei konsequenter Umsetzung von Leichtbauprinzipien, den in der Luftfahrt üblichen hohen Sicherheitsanforderungen genügen. Hierzu gehören glasfaser- und insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe.

Obwohl auf beliebige Faserverbundbauteile anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik nachfolgend mit Bezug auf Kohlefaserkunststoff (CFK) -Bauteile (auch als Faserverbundbauteile bezeichnet), beispielsweise Rumpf, Flügel, Seitenleitwerk eines Flugzeugs, näher erläutert .

Die Verwendung von Faserverbundbauteilen ist im Flugzeugbau weit verbreitet. Sie werden zum Beispiel durch Vakuuminfusionsverfahren zum Einbringen einer Matrix, beispielsweise eines Epoxidharzes, in Faserhalbzeuge und nachfolgendem Härten

hergestellt. Infusionsverfahren können gegenüber anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, wie beispielsweise dem Prepreg-Verfahren, kostengünstig sein, weil dies die Verwendung von kostengünstigeren Faserhalbzeu- gen erlaubt .

Der hohen Festigkeit bei gleichzeitig geringerem Gewicht der Faserverbundwerkstoffe stehen jedoch auch unzureichende Eigenschaften an der Oberfläche entgegen. Insbesondere sind hier als Beispiel die geringe Verschleiß- und Erosionsfestigkeit sowie die fehlende elektrische Leitfähigkeit zu nennen.

Alle Einsatzgebiete bei einem Luft- oder Raumfahrzeug können vollständig oder auch teilweise Modifikationen an der Ober- fläche der Verbundwerkstoffe bzw. Verbundbauteile erfordern.

Zur Veränderung dieser Oberflächeneigenschaften von faserverstärkten Werkstoffen werden zur Zeit zum Beispiel Metalle oder Metallgewebe aufgeklebt oder einlaminiert. Es werden auch unterschiedliche Verfahren, wie zum Beispiel Kleben, manchmal Schrauben oder Nieten von Metallen, Isolationswerkstoffen oder Dämmschichten angewendet. Gemischte Eigenschaftsänderungen können jedoch nur schwer realisiert werden.

Bei Metallen werden solche Erfordernisse in vielfältiger Art durch eine große Palette der thermischen Spritzverfahren realisiert. Diese Technik ist grundsätzlich auch auf die Be- schichtung von Faserverbundbauteilen übertragbar. Als Vorbereitung der zu beschichtenden Oberfläche wird üblicherweise ein Strahlen derselben eingesetzt.

Die DE 100 37 212 Al beschreibt KunststoffOberflächen, auch solche von faserverstärkten Kunststoffen, mit thermisch gespritzter Beschichtung, wobei zunächst ein Haftgrund mittels eines thermischen Spritzverfahrens und darauf eine Funktions- beschichtung ebenfalls mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht werden. Es wird ein Verfahren zum Be-

schichten von Sportgeräten, insbesondere Golfschläger, angegeben .

Die DE 10 2005 008 487 Al beschreibt einen beschichteten Kör- per, insbesondere Walze, aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFK) und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Körpers. Eine derartige Walze, insbesondere für Papier- und Druckmaschinen, wird mit einer Haftvermittlerschicht und dann mit einer Verschleißschutzschicht mittels thermischen Spritz- verfahren beschichtet.

Die DE 197 47 384 Al beschreibt eine Herstellung von Verbundkörpern mit Beschichtung durch thermisches Spritzen, zum Beispiel für eine gasdichte und vakuumdichte Beschichtung eines Keramikrohrs.

Die oben genannten Schriften machen zu Sicherheitserfordernisse für Beschichtung von Faserverbundbauteilen für Luft- oder Raumfahrzeuge keine Angaben. Dabei wird in diesem Zusam- menhang auch nicht das Risiko von Faserbeschädigungen genannt, welches bei solchen Körpern nicht wie zum Beispiel bei Luftfahrtstrukturbauteilen eine besondere Bedeutung hat.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschichten eines Faserverbundbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug und ein entsprechendes Faserverbundbauteil bereitzustellen, um die oben genannten Nachteile zu beheben bzw. erheblich zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Diese Aufgabe wird weiterhin durch ein Faserverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.

Demgemäß wird ein Verfahren zum Beschichten eines Faserverbundbauteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug mit folgenden Verfahrensschritten bereitgestellt. Zunächst wird eine Haft-

schicht durch zumindest abschnittsweises Vorbehandeln einer Oberflächenschicht des Faserverbundbauteils gebildet. Dabei ist die Oberflächenschicht, in welcher die Haftschicht gebildet wird, von den in dem Faserverbundbauteil eingebrachten Fasern zum Schütze derselben beabstandet. Daran schließt sich ein Aufbringen zumindest einer Funktionsschicht auf die gebildete Haftschicht an.

Weiterhin wird ein Faserverbundbauteil mit zumindest einer Funktionsschicht bereitgestellt. Die zumindest eine Funktionsschicht ist auf einer Haftschicht aufgebracht, welche durch zumindest abschnittsweise Vorbehandlung einer von den in dem Faserverbundbauteil eingebrachten Fasern zum Schütze derselben beabstandeten Oberflächenschicht des Faserverbund- bauteils gebildet ist.

Eine grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, dass zumindest abschnittsweise Vorbehandeln einer von den in dem Faserverbundbauteil eingebrachten Fasern zum Schütze derselben beabstandeten Oberflächenschicht des Faserverbundbauteils zum Bilden einer Haftschicht für ein Aufbringen zumindest einer Funktionsschicht erfolgt. Ein Kontakt zwischen Fasern und aufgebrachter bzw. gebildeter Haftschicht ist ausgeschlossen.

Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den eingangs genannten Ansätzen unter anderem den Vorteil auf, dass Beschädigungen der Fasern des Faserverbundbauteils vermieden werden, wobei gleichzeitig eine Forderung nach Gewichtsoptimierung erfüllt wird.

Es sind Beschichtungstypen erzeugbar, welche über eine Werk- stoffauswahl geeignet sind, die Faserverbundbauteile so zu verbessern, dass ein größeres Verwendungsfeld von Faserverbundbauteilen im Flugzeugbau ermöglicht werden kann. Insbe- sondere können folgende Eigenschaften, und auch deren Kombinationen, ermöglicht werden, wie beispielsweise Verschleißschutz, Erosionsschutz, elektrische Leitfähigkeit, Abschir-

mung gegen elektromagnetische Strahlung, Wärmedämmung, Beständigkeit gegen chemische Einflüsse, elektrische Isolation.

Weiterhin können auch definiert strukturierte Oberflächen, wie zum Beispiel Nanostrukturen und/oder nachgebildete Fischhautoberflächen, erzeugt werden.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung.

Beim Vorbehandeln kann eine Entfernung von Verunreinigungen und jeglicher Art von Fetten erfolgen. Dazu können chemische Prozesse, Laserbearbeitung, Kältestrahlen oder andere geeignete Techniken eingesetzt werden.

Beim Vorbehandeln kann die Haftschicht mit einer Oberflächen- topografie mit aufgerauter Oberfläche erzeugt werden. Dadurch wird die Haftoberfläche vergrößert. Die Oberflächentopografie kann mit Hohlräumen mit Hinterschneidungen ausgebildet wer- den. Dies ist zum Beispiel mittels einer Laserbehandlung möglich, wobei sich kugelförmige Blasen, zum Beispiel im Zehntelbereich, in der Schicht bilden können, die aufplatzen und somit Hinterschneidungen erzeugen.

In einer weiteren Ausführung wird bei dem Schritt des Vorbe- handelns der Oberflächenschicht die Haftschicht durch Aufbringen von zumindest einer Harz-/Kleberschicht erzeugt. So kann bei Bedarf ein Erhöhen der Oberflächenschichtstärke erfolgen. Zum Beispiel kann die Harz- /Kleberschicht als dünne Schicht aufgetragen werden. Dadurch ist es auch möglich,

Haftschichten mit höherer Stärke oder mehrere Haftschichten übereinander auszubilden, wobei keine Beschädigung der Fasern erfolgt. Alle Harze oder Kleber sind geeignet, solange sie in Ihren Aushärtemechanismen den Anforderungen des nachfolgenden Aufbringens einer Funktionsschicht und den Bauteilerfordernissen genügen.

Die Harz-/Kleberschicht kann eine Harz- /Klebersubstanz mit Partikeln umfassen, welche vor dem Aufbringen der Harz- /Kleberschicht in die Harz- /Klebersubstanz eingemischt werden. Die Partikel können auch nach dem Aufbringen der Harz- /Kleberschicht auf diese aufgebracht und mit ihr verbunden werden. Zum Beispiel ist es möglich, die Partikel auf die so aufgebrachte Harz-/Kleberschicht aufzustreuen. Die Partikel werden dann mit der Harz-/Kleberschicht durch die Klebeigenschaften der Harz- /Kleberschicht verbunden, wobei die Parti- kel auch zum Beispiel in die Harz-/Kleberschicht eingearbeitet bzw. eingedrückt werden können. Auch eine Kombination von vorgemischter Harz- /Klebersubstanz mit Partikeln und nachträglich aufgebrachten Partikeln ist möglich.

Jegliche Art von Harzen und/oder Klebern ist geeignet. Die Aushärtung erfolgt teilweise oder komplett soweit, dass sie in Ihrem Aushärtegrad den Anforderungen eines anschließenden Spritzens und den Bauteilerfordernissen genügen. Als Mischwerkstoffe können alle als Pulver erhältlichen Werkstoffe (Metalle, Keramik, Oxyde, Carbide usw.) zur Anwendung kommen. Diese Vorgehensweise zeichnet sich durch ihre besonders einfache Technologie aus, was eine sehr wirtschaftliche und kostengünstige Lösung ergibt.

In einer anderen Ausführung ist es bevorzugt, dass das Vorbehandeln ein Aufbringen von einzelnen Partikeln zum Bilden einer zumindest abschnittsweise geschlossenen Haftschicht erfolgt. Dadurch wird die Haftoberfläche vergrößert und die Haftung einer aufzubringenden Funktionsschicht verbessert. Besonders wird es bevorzugt, dass das Aufbringen der einzelnen Partikel mittels eines thermischen Spritzverfahrens erfolgt. Als Partikelwerkstoffe für thermisches Spritzen können alle zum thermischen Spritzen geeigneten Werkstoffe (zum Beispiel Metalle, Keramik, Oxyde, Carbide, Thermoplaste, usw. ) zur Anwendung kommen. Ein beispielhafter Bereich für die Partikelgröße kann von 1 bis 100 μm sein, aber auch Nanopartikel können möglich sein.

Das thermische Spritzverfahren kann ein Hochgeschwindigkeits- flammspritzen sein.

Die so vorbehandelte Oberflächenschicht bildet mit der Haftschicht eine Basis, auf der jede gewünschte Funktionsschicht aufgebracht werden kann. Auch hierbei können Spritzverfahren und Werkstoffe entsprechend dem Stand der Technik verwendet werden. Damit sind zum Beispiel Verbesserungen folgender Funktionen ermöglicht: Geräuschdämmung, Verschleißschutz,

Korrosionsschutz, Notlaufeigenschaften, Rollwiderstand, Materialauftrag, elektrische Leitfähigkeit, Wärmedämmung, elektrische Isolation, usw.

Das Bauteil aus faserverstärktem Werkstoff kann ganz oder teilweise mit der gewünschten Funktionsschicht beschichtet werden. Dazu können grundsätzlich alle thermischen Spritzverfahren zur Anwendung kommen.

In einer weiteren Ausführung kann die zumindest eine Funktionsschicht eingebettete Komponenten aufweisen. Dies können zum Beispiel Leiterbahnen oder/und Fasern für unterschiedliche Zwecke sein. Diese Komponenten können auch mit einer entsprechenden Abdeckung eingebracht werden, die sie vor Beschä- digung beim Spritzen schützen kann. Weitere Systeme und Komponenten, die integriert werden können, sind zum Beispiel Heizsysteme, Glasfasern, prüftechnische Komponenten (auch zur Onlineauswertung) .

Ein Faserverbundbauteil ist wie oben beschrieben hergestellt.

Für alle Beschichtungen kann nur eine Verfahrenstechnik, nämlich thermisches Spritzen verwendet werden. Dies ergibt eine ausgezeichnete Haftfestigkeit der Beschichtungen am Faserver- bundbauteil. Unterschiedliche Eigenschaften und auch kombinierte Eigenschaften der Funktionsschichten können durch gemischte oder gradierte Schichten erzeugt werden. Hierzu kön-

nen Schichten nacheinander aufgebracht werden. Ebenso ist es möglich, gemischte Pulver aufzuspritzen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbei- spielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert .

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht quer zu Fasern eines beispielhaften Faserverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung zur Illustration eines Vorbehandelns einer Oberflächenschicht;

Fig. 2 eine weitere schematische Schnittansicht quer zu

Fasern eines beispielhaften Faserverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung zur Illustration eines weiteren Vorbehandelns einer Oberflächenschicht; und

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht quer zu Fasern eines beispielhaften beschichteten Faserverbundbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht quer zu Fasern 5 eines beispielhaften Faserverbundbauteils 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zur Illustration eines Vorbehandelns einer Oberflächenschicht 8.

Das Faserverbundbauteil 1 weist Fasern 5 eingebettet in einer Matrix 4, zum Beispiel aus einem Harz, auf und ist in diesem Beispiel in einem ausgehärteten Zustand. Das Harz bildet in der Figur unten eine Unterseite 3 mit einer Deckschicht unter

den Fasern 5 und oben eine Oberseite 2 mit einer Deckschicht über den Fasern 5.

In dem Beispiel weist die Deckschicht der Oberseite 2 eine Oberflächenschicht 8 mit einer Oberfläche 7 und einer Ober- flächenschichtstärke 9 auf. Unter Oberflächenschichtstärke 9 ist hier das Maß von der Oberfläche 7 zu einer Faseroberfläche 6 zu verstehen, welche den geringsten Abstand zu der Oberfläche 7 besitzt.

Die linke Seite des Faserverbundbauteils 1 zeigt die Oberfläche 7, welche beschichtet werden soll, um zum Beispiel einen Verschleißschutz des Faserverbundbauteils 1 zu bewirken. Dazu wird die Oberfläche 7 der Oberflächenschicht 8, wenn sie noch nicht entfettet und noch verunreinigt ist, in einem ersten

Verfahrensschritt entfettet und von Verunreinigungen befreit.

Daran schließt sich eine weitere Vorbehandlung der Oberflächenschicht 8 an, indem durch ein geeignetes Verfahren, zum Beispiel Laserbearbeitung, eine Haftschicht 13 mit einer

Oberflächentopografie 10 erzeugt wird. Dabei wird die Oberflächenschicht 8 aufgeraut, wobei sich in diesem Beispiel Hohlräume 11 mit Hinterschneidüngen 12 gebildet haben, zum Beispiel durch Aufplatzen von Blasen. Andere mechanische oder chemische Bearbeitungen sind selbstverständlich möglich.

Es ist hierbei von Bedeutung, dass die Haftschicht 13 innerhalb einer bestimmten Eindringtiefe 16 in der Oberflächenschicht 8 gebildet wird. Die Eindringtiefe 16 ist ein Maß von der Oberfläche 7 bis zu einem bestimmten Abstand 20 zu der

Faseroberfläche 6, welche die geringste Entfernung zur Oberfläche 7 besitzt. Dadurch wird sichergestellt, dass durch die Vorbehandlungsverfahren keine Faser 5 beschädigt wird.

Fig. 2 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht quer zu Fasern 5 des beispielhaften Faserverbundbauteils 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zur Illustration eines weiteren Vorbe-

handelns der Oberflächenschicht 8. Hierbei wird eine alternative Bildung einer Haftschicht 13 durch Aufbringen von Partikeln 15 als Partikelschicht 14 in die Oberflächenschicht 8 gezeigt. Dabei ist es ebenfalls wie oben beschrieben von Be- deutung, dass die Eindringtiefe 16 nicht überschritten wird. Die Partikel 15 werden zum Beispiel mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht. Dabei wird eine hohe Haftfestigkeit der Partikel 15 in der Oberflächenschicht 8 erzeugt.

Es ist auch möglich, die Partikelschicht 14, welche im Bereich der Oberfläche 7 nicht geschlossen sein muss, mit den unter Fig. 1 beschriebenen Hohlräumen 11 mit Hinterschneidun- gen 12 zu kombinieren.

Somit wird durch das Vorbehandeln eine Vergrößerung der Oberfläche 7 erzielt, wobei sich eine Haftschicht 13 bildet, auf welche in einem weiteren Verfahrensschritt eine weitere Be- schichtung aufgebracht wird, die dadurch eine ausgezeichnete Haftung auf dem Faserverbundbauteil 1 erzielt, ohne dass Fa- sern 5 beschädigt werden.

Fig. 3 zeigt hierzu eine schematische Schnittansicht quer zu Fasern 5 eines beispielhaften beschichteten Faserverbundbauteils 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.

Auf der Haftschicht 13, die im linken Bereich der Figur ein Beispiel mit Partikeln 15 und im rechten Bereich der Figur ein Beispiel mit Hohlräumen 11 und Hinterschneidungen 12 aufweist, ist eine erste Funktionsschicht 17 und darüber eine zweite Funktionsschicht 18 aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt ebenfalls mittels eines thermischen Spritzverfahrens.

Die zweite Funktionsschicht 18 bildet eine Außenoberfläche 19 des beschichteten Faserverbundbauteils 1. Die erste Funkti- onsschicht 17 kann zum Beispiel eine metallische Schicht sein, wobei die zweite Funktionsschicht 18 eine Korrosionsschutzschicht oder eine Isolationsschicht sein kann. Die

zweite Funktionsschicht 18 kann auch eine strukturierte Außenoberfläche 19 mit Nanostrukturen bilden. Es sind viele unterschiedliche Kombinationen möglich.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar .

Beispielsweise kann das Vorbehandeln der Oberflächenschicht 8 eine Aufrauung der Oberflächenschicht 8 bewirken, wobei keine Hinterschneidungen 12 gebildet sind.

In die Funktionsschichten 17, 18 können zum Beispiel Leiter- bahnen für Heizsysteme integriert werden.

Die Funktionsschichten 17, 18 können auch als Metallschichten zur elektromagnetischen Abschirmung und/oder als Blitzschutz und/oder als Impact- bzw. Stoßschutz dienen.

Die Deckschicht, die in Fig. 1 als Oberflächenschicht 8 mit einer überdimensional gezeigten Oberflächenschichtstärke 9 dargestellt ist, kann auch durch Aufbringen von zusätzlichen Harz- /Kleberschichten auf dieses Maß gebracht werden, um zum Beispiel einen ausreichenden Abstand 20 zur Eindringtiefe 16 zu erhalten. Eine solche Erhöhung der Oberflächenschicht 8 durch eine zusätzliche Harz-/Kleberschicht kann zum Beispiel mittels zweier Varianten für die Herstellung einer Haftschicht 13 auf diesem Wege erfolgen. Zum einen werden Parti- kel zuerst in eine Harz- /Klebersubstanz eingemischt und anschließend als dünne Schicht auf die Oberflächenschicht 8 aufgetragen. Zum anderen wird die Harz- /Klebersubstanz als dünne Schicht auf die Oberflächenschicht 8 aufgetragen, dann werden Partikel aufgestreut und gegebenenfalls an bzw. in die Harz-/Klebersubstanz eingearbeitet oder eingedrückt. Als Harz und/oder Kleber sind alle Arten geeignet. In beiden Fälle erfolgt die Aushärtung der so gebildeten Harz- /Kleberschicht

teilweise oder vollständig soweit, dass sie in ihrem Aushärtegrad den Anforderungen des anschließenden Spritzens von weiteren _ Schichten, zum Beispiel der Funktionsschicht 17, 18, und den Erfordernissen des Bauteils genügen. Alle als Pulver erhältlichen Werkstoffe (Metalle, Keramik, Oxyde, Carbide usw.) können verwendet werden. Selbstverständlich ist eine Kombination der oben beschriebenen weiteren Vorbehandlungen dieser Harz- /Kleberschicht zur Bildung von Oberflächentopo- grafien und/oder weiteren Beschichtungen mit gleichen, ähnli- chen oder/und unterschiedlichen Partikeln anderer oder/und gleicher Abmessungen möglich.

Bei einem Verfahren zum Beschichten eines Faserverbundbauteils 1 für ein Luft- oder Raumfahrzeug erfolgt zumindest ab- schnittsweise Vorbehandeln einer von den in dem Faserverbundbauteil 1 eingebrachten Fasern 3 zum Schütze derselben beabstandeten Oberflächenschicht 8 des Faserverbundbauteils 1 zum Bilden einer Haftschicht 13; wonach ein Aufbringen zumindest einer Funktionsschicht 17, 18 auf die gebildete Haft- Schicht 13 durchgeführt wird. Ein entsprechendes Faserverbundbauteil 1 weist zumindest eine Funktionsschicht 17, 18 auf, die auf einer Haftschicht 13 aufgebracht ist.

B e z u g s z e i c h e n l i s t e

1 Faserverbundbauteil

2 Oberseite

3 Unterseite

4 Matrix

5 Faser

6 Faseroberfläche

7 Oberfläche

8 Oberflächenschicht

9 Oberflächenschichtstärke

10 Oberflächentopografie

11 Hohlraum

12 Hinterschneidüng

13 Haftschicht

14 Partikelschicht

15 Partikel

16 Eindringtiefe

17 Erste Funktionsschicht

18 Zweite Funktionsschicht

19 Außenoberfläche

20 Abstand