Verstärken einer Struktur durch eine faserverstärkte Matrix

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verstärken einer Struktur durch eine faserverstärkte Matrix.

Ein derartiges Verfahren kommt beispielsweise als Ergänzung zur additiven Fertigung von hochbelasteten Bauteilen oder im Maschinenbau zum Einsatz.

Der Wunsch nach einer lokalen Optimierung von Werkstoffeigen- schaften konnte bislang z. B. durch die Verwendung eines Ma terialmix erreicht werden, wobei stets das Problem der Ver bindung der unterschiedlichen Werkstoffe bestand. Anderer seits gelingt mit einem Ansatz für Materialmix kaum eine kleinskalige Auflösung der Eigenschaften, d.h. eine Variation der Eigenschaften im Bereich weniger Millimeter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Strukturen lokal zu verbes sern, insbesondere die thermo-mechanische Belastbarkeit zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Zum zumindest abschnittsweisen Verstärken einer Struktur durch eine faserverstärkte Matrix, werden folgende Schritte vorgeschlagen :

- Bereitstellen der Struktur mit einem zu verstärkenden Ab schnitt,

- Aufbringen von Fasern auf den zu verstärkenden Abschnitt und

- Aufbringen der Matrix mittels Kaltgasspritzen, sodass die Fasern in die Matrix eingebettet werden und die Matrix an die Struktur angebunden wird. Durch das Kaltgasspritzen werden die Fasern direkt in die Matrix ein- und an die Struktur angebunden, insbesondere stoffschlüssig . Die grundlegende Struktur kann so durch güns tige und gut beherrschbare Verfahren und Prozesse gefertigt werden. An den Stellen, bzw. Abschnitten, an denen hohe Be lastungen zu erwarten sind, kann die Struktur dementsprechend verstärkt werden. Insbesondere in Verbindung mit Simulationen der Struktur kann so ein deutlich verbessertes Bauteil herge stellt werden.

Die Fasern bzw. die Faserwerkstoffe können dabei entlang je der Richtung eines Bauteils verlegt werden. Entweder uniaxial oder in einer Ebene oder entlang dreidimensionaler Konturen. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Fasern in Richtung der größten Belastung angeordnet sind. Dies kann direkt im Verfahren realisiert werden.

Die vorliegende Erfindung erlaubt es, lokal die Eigenschaften im Werkstoffgefüge eines Bauteils angepasst zu variieren.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Aufbringens einer ersten Schicht mittels Kaltgas spritzen auf den zu verstärkenden Abschnitt. Die erste Schicht kann also direkt auf die Struktur aufgebracht werden. Die Fasern werden dann auf die erste Schicht aufgebracht. So kann die Verbindung zwischen der Matrix und der faserver stärkten Matrix weiter verbessert werden. Die erste Schicht kann dabei aus dem Material der Matrix bestehen.

In einer weiteren Ausführungsform bildet die erste Schicht einen Teil der Matrix, womit die Fasern besonders gut in die Matrix eingebunden und an die Struktur angebunden sind.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Aufbringens einer Deckschicht auf die Fasern, wo bei die Deckschicht mittels Kaltgasspritzen aufgebracht wird und sodass die Fasern von der Deckschicht abgedeckt sind. Die Fasern können so also vollständig von der vorteilhaften Mate- rialkombination und den damit einhergehenden guten mechani schen Eigenschaften einer Cold-Spray-Schicht umgeben sein. Matrix ist so also besonders robust. Auch die Anbindung an die und der Übergang zur Struktur ist mit einer Deckschicht besonders gut möglich.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Fasern SiC-Fasern, Kohlefasern, Glasfasern oder Kombinationen davon.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern so ange ordnet, dass die Struktur im Abschnitt verstärkt wird. Wie bereits eingangs beschrieben dient das Einbetten der Fasern in die Matrix zum Erzeugen einer faserverstärkten Matrix und damit Verstärken der Struktur im Bereich.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Matrix ein dukti les metallisches Material oder deren Legierungen auf. Die Matrix besteht dabei insbesondere aus dem zum Kaltgasspritzen verwendeten Material (Cold-Spray-Material). Beispielsweise kommen hier Aluminium-, Titan-, Nickelbasis- und Kupfer- Legierungen sowie Stähle zum Einsatz.

In einer weiteren Ausführungsform wird zum Aufbringen der Fa sern ein Haftvermittler auf den zu verstärkenden Abschnitt aufgebracht. Die Haftvermittler sind dabei insbesondere aus der Gruppe Zn oder Sn ausgewählt. Der Haftvermittler kann auch mit Kaltgasspritzen aufgebracht werden.

In einer weiteren Ausführungsform werden zum Bereitstellen der Struktur zumindest Teile der Struktur mittels eines gene rativen Verfahrens erzeugt. Generative Verfahren haben dabei den Vorteil, dass die Struktur und der zu verstärkende Ab schnitt einfach an die Geometrie des Abschnitts und der ge wünschten Matrix angepasst werden kann. Als generatives Ver fahren kann beispielsweise das Auftragschweißen mit dem Kalt gasspritzverfahren verwendet werden. Es ist aber ebenso denk bar, dass mittels Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschmelzen gefertigte Strukturen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verstärkt werden.

In einer weiteren Ausführungsform werden wird zum Bereitstel len der Struktur ein Halbzeug der Struktur bereitgestellt.

Das Halbzeug weist dabei eine um den Abschnitt verringerte Geometrie auf. Insbesondere in Verbindung mit

In einer weiteren Ausführungsform ist die Struktur eine me tallische Struktur.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Struktur eine nichtmetallische Struktur und zum Aufbringen der Matrix auf den Abschnitt ist eine Haftvermittlerschicht insbesondere aus der Gruppe Zn oder Sn vorgesehen.

In einer weiteren Ausführungsform wird zum Bereitstellen der Struktur zumindest ein den Abschnitt umfassender Teil der Struktur additiv gefertigt. Dies hat den Vorteil, dass die Struktur bereits so gefertigt werden kann, dass der Abschnitt bereits zum Anbinden der Matrix ausgebildet ist. Weiterhin kann zumindest unter den gegebenen Randbedingungen der vorge sehenen Anwendung der Struktur, eine entsprechende Anpassung der Struktur auf die Matrix im Abschnitt vorgesehen ist. Un abhängig davon, ob die Struktur an die Matrix angepasst wird, ist ein großer Vorteil einer additiven Bereitstellung der Struktur groß, dass komplexe Formen gut realisiert werden können. Als additive Verfahren kommen beispielsweise Auftrag schweißen, pulverbettbasierte Laser- und/oder Elektronen strahlschmelzverfahren und weitere gängige additive Verfahren in Frage.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst zumindest ein den Abschnitt umfassender Teil der Struktur ein Polymer. Die Struktur kann dabei vollständig aus einem Polymer gefertigt sein. Dabei können sowohl additive Polymerfertigungsverfahren als auch herkömmliche Verfahren, wie Spritzguss oder Extrusi on zum Einsatz kommen. Der zu verstärkende Abschnitt kann da- bei geometrisch so ausgestaltet sein, dass das Aufbringen der Fasern vereinfacht wird und das an- bzw. einbinden in die Matrix verbessert wird. Dies kann durch entsprechende Ausspa rungen und Anbindungselemente erfolgen.

Allgemein und in anderen Worten ist das erfindungsgemäße Ver fahren besonders vorteilhaft, da die Einbettung von Faser werkstoffen in Material, das durch Kaltgasspritzen geformt wird, eine Kombination der außergewöhnlichen Eigenschaften von Kaltgas-Oberflächen mit der Verstärkung durch die Fasern erst ermöglicht und so z. B. hohe Zugfestigkeiten in Verbin dung mit hoher Zähigkeit realisierbar sind. Vorteilhaft ist insbesondere die hohe Flexibilität durch die Kombination ei ner kompletten 3D-Bearbeitung sowohl im Urformen des metalli schen Werkstoffs als auch des Faserverbundwerkstoffs bei gleichzeitig lokaler Texturierung der Eigenschaften.

Eine Einbettung kann durch Verwendung einer angepassten Kalt gasspritz-Prozesskette gelingen, bei der die Verbindung zwi schen Faserwerkstoff und Metall durch mittels Kaltgasspritzen abgeschiedenes Material stufenweise durch (Haft- )Vermittlerschichten gelingt, die den Faserwerkstoff beim Auftrag nicht zerstören. Generell können die Faserwerkstoffe dabei entlang jeder Richtung eines Bauteils verlegt werden, z. B. uniaxial, in einer Ebene oder entlang dreidimensionaler Konturen.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine faserverstärkte Struk tur gelöst. Diese weist einen Grundkörper und einen Abschnitt auf, der durch eine erfindungsgemäße Matrix verstärkt ist.

Die so entstehende, verstärkte Struktur weist vorteilhaft verbesserte thermo-mechanische Eigenschaften auf.

Zum Bestimmen eines zu verstärkenden Abschnitts einer Struk tur kann ein computerimplementiertes Verfahren zum Einsatz kommen. Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen und kann in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden. Zunächst wird eine thermomechanische Soll-Belastung der Struktur bestimmt, dies kann beispielsweise durch den Endver bleib und die Anwendung der Struktur definiert sein.

In einem weiteren Schritt wird zumindest eine Simulation der thermomechanischen Soll-Belastung anhand eines Modells der Struktur durchgeführt. Hier kann ein bei der Konstruktion entstandenes 3D CAD Modell in einer FEM-Software simuliert werden.

In einem weiteren Schritt wird der Abschnitt durch Identifi zieren von Schwachstellen in den Ergebnissen der Simulation bestimmt.

Anschließend kann zumindest einer der zu verstärkenden Ab schnitte definiert werden und eine erneute Simulation unter Berücksichtigung der vorgesehenen Verstärkung durchgeführt werden. So können die notwendigen Eigenschaften der Matrix zur Verstärkung ermittelt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen:

FIG 1 einen schematischen Querschnitt durch einen zu ver stärkenden Abschnitt einer Struktur mit einer Mat rix,

FIG 2 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere

Struktur mit einer Matrix und

FIG 3 eine schematische Struktur, mit zwei zu verstärken den Abschnitten.

FIG 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt 20 einer Struktur 1 mit einer Matrix 24, die durch Fasern 22 verstärkt ist. Im vor liegenden Fall kann ein Halbzeug als Struktur 1 verwendet werden, welches die Geometrie des zu erhaltenden Bauteils an- nähert. Die Struktur 1 wurde durch eines der erfindungsgemä ßen Verfahren um die faserverstärkte Matrix 24 ergänzt, so- dass jeweils am zu verstärkenden Abschnitt 20 ein für die Aufgabe des Bauteils optimiertes Werkstoffgefüge entsteht.

Das kann z. B. der Auftrag eines bzgl. der Struktur 1 glei chen oder anderen Materials mittels Kaltgasspritzen als eine erste Schicht 21 direkt auf die Struktur 1 sein. Auf diesem Material wird dann beispielsweise ein Faserwerkstoff appli ziert. Die Fasern 22 werden wiederum durch den Auftrag einer Deckschicht 23 mittels Kaltgasspritzen eingebettet. Der Werk stoff der Deckschicht 23 kann wiederum bzgl. der geforderten Eigenschaften angepasst werden und vorteilhaft neben der Ver stärkung des Abschnitts 20 weitere Funktionen erfüllen. Die Matrix 24 wird in der vorliegenden Ausführungsform zusammen fassend gebildet aus der ersten Schicht 21, den Fasern 22 und der Deckschicht 23. Die Anbindung an die Struktur wird dadurch sichergestellt, dass die Schichten 21, 23 mittels Kaltgasspritzen aufgebracht werden. Die so erhaltenen Schich ten weisen eine sehr hohe Haftfestigkeit und Robustheit auf.

FIG 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weite re Struktur 1 mit einer Matrix 24. Hier wurde die Struktur 1 mittels additiven Verfahren, z. B. dem Auftragschweißen, ge fertigt. Fasern 22 werden im vorliegenden Fall z. B. als be schichtete Fasern auf die Struktur 1 aufgebracht. Eine Deck schicht 23 bindet die Fasern 22 and die Struktur 1 an und verstärkt diese im Abschnitt 20. In diesem Ausführungsbei spiel kann auch ohne Halbzeug durch ein additives Verfahren (z. B. ein Auftragschweißverfahren) ein Bauteil bzw. eine Struktur 1 entstehen, das/die nachfolgend mittels eines der erfindungsgemäßen Verfahren lokal im Abschnitt 20 verstärkt wird. Das Verstärken wird durch die Ablage von Faserwerkstof fen (hier nicht gezeigt) und deren Ein- /Anbindung durch Kaltgasspritzen vorteilhaft realisiert. In anderen Worten er folgt die Einbettung der Fasern z. B. durch Kaltgasspritzen.

FIG 3 zeigt eine Struktur 1, die eine Einschnürung im Ab schnitt 20 aufweist. Die Einschnürung bewirkt eine Schwächung der Struktur 1. In diesem Bereich könnte also z. B. durch Si mulation festgestellt werden, dass eine Matrix 24 zur Ver stärkung vorgesehen werden soll. Mit einem der erfindungsge mäßen Verfahren könnte also die faserverstärkte Matrix 24 beidseitig aufgebracht werden. So können die Eigenschaften des ursprünglichen Struktur 1 erhalten bleiben und lokal im Abschnitt 20 eine Verstärkung vorgesehen werden. Dies führt dazu, dass ein hybrides Bauteil mit den Vorteilen der Struk tur 1 und der Matrix 24 entsteht.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zum zu mindest abschnittsweisen Verstärken einer Struktur 1 durch eine faserverstärkten Matrix 24. Um die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Strukturen lokal zu verbessern, insbesondere die thermo-mechanische Belastbarkeit zu erhöhen, werden die Schritte vorgeschlagen:

- Bereitstellen der Struktur 1 mit einem zu verstärkenden Ab schnitt 20,

- Aufbringen von Fasern 22 auf den zu verstärkenden Abschnitt 20 und

- Aufbringen der Matrix 24 mittels Kaltgasspritzen, sodass die Fasern in die Matrix 24 eingebettet werden und die Matrix an die Struktur, insbesondere stoffschlüssig, angebunden wird.

BezugsZeichen 1 Struktur

20 zu verstärkender Abschnitt

21 erste Schicht 22 Fasern

23 Deckschicht

24 Matrix