DE102023119056A1

DE102023119056A1 - Verfahren zum Rekonfigurieren eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102023119056A1
Application number: DE102023119056.3A
Authority: DE
Inventors: Chokri Cherif; Thomas Gereke
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2023-07-19
Filing date: 2023-07-19
Publication date: 2025-01-23

Abstract

Die Erfindung betriff ein Verfahren zum Rekonfigurieren eines Bauteils (1) aus einem Faserverbundwerkstoff mit
einer Matrix (5) aus duromeren und/oder thermoplastischen und/oder elastomeren und/oder mineralischen Werkstoffen,
sowie in der Matrix (5) eingebetteten Verstärkungsfasern, wobei das Bauteil (1) zunächst in einer ersten Konfiguration (A) vorliegt, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- die Matrix (5) wird lokal an mindestens einer Stelle (10) an- oder aufgelöst, entfernt und/oder aufgeweicht;
- das Bauteil (1) wird zumindest in eine zweite Konfiguration (B) umgeformt;
und
- das Bauteil (1) wird konsolidiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rekonfigurieren eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff.
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff sind beispielsweise Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV), die aus Hochleistungs- bzw. Verstärkungsfasern, z.B. Glasfasern (GF) oder Kohlenstoff- bzw. Carbonfasern (CF), und einer duroplastischen Matrix, z.B. Epoxidharz, bzw. einer thermoplastischen Matrix, z.B. Polypropylen (PP) oder Polyamid (PA), oder auch einer elastomeren Matrix gefertigt werden. Ohne Matrixwerkstoff sind die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfasern nicht nutzbar. Durch das Einbetten der Fasern in die Matrix werden diese räumlich fixiert und die Lasteinleitung und Lastausleitung wird ermöglicht. Die Lastübertragung erfolgt hierbei über die Adhäsion zwischen Fasern und Matrix. Anwendungen finden FKV-Bauteile u.a. im Automobilbau, Flugzeugbau und in Rotorblättern von Windkraftanlagen. Das Recycling solcher FKV-Bauteile am Ende ihres Lebenszyklus ist ein bisher ungelöstes Problem. Zudem werden in Zukunft immer größere Mengen an FKV-Werkstoffen anfallen, die zur Wiederverwertung genutzt werden könnten.
Die Abfälle liegen zum Teil als Monofraktionen, als gemischte Abfälle oder als Mischmaterial aus GF und CF und/oder mit Metalleinlagen vor. Bei der Verarbeitung von CF zu textilen Flächengebilden sowie bei der Aufbereitung, dem Preforming bzw. der Konfektionierung von Verbundbauteilen fallen je nach Anwendungsgebiet bis zu 50 % trockene CF-Abfälle an. Diese lassen sich als recycelte CF (rCF) Typ I wiederverwenden. Zu den Produktionsabfällen zählen auch bereits mit Harzen vorinfiltrierte, nasse Textilhalbzeuge, sog. Prepregs rCF Typ II, sowie rCF Typ III aus defekten oder End-of-Life CFK-Bauteilen.
Prinzipiell muss bei der Entsorgung zwischen Recycling, Verwertung und Deponierung unterschieden werden.
Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) werden bisher nicht wiederverwendet, sondern bei der Zementherstellung verwertet, bei der das GFK sowohl als Rohstoff als auch als Energieträger dient.
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) hingegen werden häufig bekanntermaßen bei hohen Temperaturen aufgespalten (Pyrolyse), womit die Fasern wiedergewonnen werden. Jedoch ist der Einsatz dieser Technik sehr energie- und kostenintensiv. Die wiedergewonnenen Fasern können wieder zu Garnen, dann zu textilen Flächengebilden und letztendlich zu FKV verarbeitet werden. Dazu sind allerdings viele aufwändige Prozessschritte notwendig. Bisher wurde auf diese Weise die Aufbereitung thermoplastischer FKV realisiert. Die gezielte Aufbereitung für duromere FKV (der Begriff duroplastisch ist auch gebräuchlich) befindet sich derzeit im Forschungsstadium.
Demgegenüber ist eine signifikante Verbesserung der CO₂-Bilanz durch die bestmögliche Rückgewinnung und Wiederverwendung von rCF als hochwertigem Rohstoff sowie die konsequente Vermeidung von Verschnittabfällen der erfolgversprechendste Ansatz. Diese Umweltproblematik wird gegenwärtig durch diverse Forschungsarbeiten und Modellprojekte aufgegriffen, die Technologien zur Reduzierung von trockenen Verschnittfasern (rCF Typ I, s.o.), die Faserrückgewinnung aus nassen Verschnittfasern (rCF Typ II, s.o.), Ausschuss- und End-of-Life-CFK-Bauteilen (rCG Typ III, s.o.) sowie deren Wiederaufbereitung zu rCF thematisieren. Alle rCF-Typen werden momentan überwiegend als gemahlene Füllstoffe für Formmassen zum Einsatz in Press- und Spritzgussverfahren verwendet oder zu Vliesstoffen weiterverarbeitet.
Andere Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff sind beispielsweise solche aus kohle- bzw. carbonfaserverstärktem Beton oder aus Stahlbeton, wobei bei Letzterem Stahlstreben als Verstärkungsfasern in den Beton eingebettet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein umweltschonendes und einfaches Verfahren zum Wiederverwenden von Bauteilen aus einem Verbundwerkstoff zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Rekonfigurieren eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff, insbesondere einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV), aber auch aus mineralischen Werkstoffen (insbesondere einem Beton) mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern. Das zu rekonfigurierende Bauteil liegt zunächst in einer ersten Konfiguration vor, die das Bauteil meist am Ende seines Lebens- oder Verwendungszyklus einnimmt, und wird durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte in zumindest eine zweite Konfiguration gebracht und dann konsolidiert, d.h. verfestigt bzw. sich verfestigt. Durch die Rekonfiguration erübrigen sich die bisher gebräuchlichen aufwändigen Prozesse, um die - aus welchen Gründen auch immer - in ihrer ersten Konfiguration vorliegenden, aber nicht mehr verwendeten Bauteile wieder in den Produktkreislauf einzubringen.
Durch das vorzugsweise lokale An- oder Auflösen, Entfernen und/oder Aufweichen der Matrix an mindestens einer Stelle wird das Bauteil an dieser Stelle dünner und/oder weicher und somit leichter formbar. Insbesondere kann eine nicht mehr oder nicht mehr vollständig an dieser oder diesen Stellen vorhandene Matrix der Umformung keinen oder kaum einen Widerstand entgegensetzen, was die Umformung erleichtert.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass ein nahezu neues Bauteil auf Grundlage eines alten, andernfalls nicht mehr verwendbaren Bauteils erhalten werden kann. Hierdurch werden Ressourcen, CO₂, Aufwand und Kosten eingespart.
Das Bauteil weist gemäß bevorzugten Ausführungsformen ein oder, was üblicherweise der Fall sein wird, mehrere geschichtete Lagen aus textilem Verstärkungshalbzeug auf, wie z.B. Gewebe, Gestricke oder Gelege, die in einer Matrix aus duromeren Werkstoffen, insbesondere duromerem Harz, oder einer Matrix aus thermoplastischen oder elastomeren oder mineralischen Werkstoffen eingebettet sind und eine textile Verstärkungsstruktur bilden. Durch die mehreren Lagen können dickere und stabilere Bauteile hergestellt werden, beispielsweise Rotorblätter oder Fahrzeugwände. Die Verstärkungsfasern dieser Halbzeuge bleiben bei An- oder Auflösung, dem lokalen Entfernen und/oder dem Aufweichen der Matrix an der besagten mindestens einen Stelle unbeschadet und liegen ggf. dort sogar ganz frei, so dass das Bauteil im Bereich dieser Stelle(n) umgeformt werden kann.
Besonders bevorzugt wird das Bauteil vor und/oder nach dem Umformen und vor dem Konsolidieren, d.h. vor dem (Sich-)Verfestigen, an zumindest der besagten Stelle mit einem oder mehreren Matrixsystemen aus duromeren und/oder thermoplastischen und/oder elastomeren und/oder mineralischen Werkstoffen infiltriert und/oder ergänzt. Hierdurch kann eine gewünschte Dicke und damit Stabilität und Belastbarkeit des rekonfigurierten Bauteils erreicht werden.
Besonders bevorzugt wird - im Falle einer duromeren Matrix - nach erfolgter Umformung die Matrix an der mindestens einen umgeformten Stelle mit dem entsprechenden Harz reinfiltriert, damit das Bauteil die erwünschte Stabilität und die anwendungsgerecht optimierten Lastübertragungspfade erhält. Hierbei wird die Verbundstruktur vorzugsweise durch eine lokale Matriximprägnierung mit einem kompatiblen Harzsystem hergestellt, vorteilhafterweise durch ein Harzinjektionsverfahren, vorzugsweise mittels lokaler Vakuuminfusion. Es kann auch eine zusätzliche Verstärkung der von der Matrix freigelegten Stelle oder auch nur Abschnitten dieser Stelle erfolgen, beispielsweise durch Einbringung einer erhöhten Menge Harz und/oder externer Strukturen, beispielsweise zusätzlichen Textillagen.
Besteht die Matrix beispielsweise aus einem duromeren oder thermoplastischen Werkstoff kann entsprechendes thermoplastisches bzw. elastomeres Matrixmaterial eingebracht werden, das sich dann mit der noch vorhandenen Matrix vernetzt.
Alternativ kann für die Reinfiltration ein anderer Werkstoff bzw. ein anderes Matrixsystem verwendet werden als für die ursprüngliche Matrix des Bauteils. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise die Eigenschaften im Bereich der rekonfigurierten Stelle einstellen. Auch bietet sich ein solches Vorgehen an, wenn die ursprünglichen Matrixsysteme nicht verfügbar sind bzw. neue und deutlich bessere Matrixsysteme erhältlich sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird, wenn das Bauteil eine duromere oder elastomere Matrix aufweist, mindestens ein Metalloxid-Halbleiter (oder eine Vorläufersubstanz für mindestens einen Metalloxid-Halbleiter) lokal mit der mindestens einen Stelle der Matrix in Kontakt gebracht. Durch vorzugsweise thermische Aktivierung des Metalloxid-Halbleiters, ob direkt aufgetragen oder aus einer entsprechenden Vorläufersubstanz entstanden, wird die Matrix zumindest an der mindestens einen Stelle an- oder aufgelöst. Dadurch entsteht eine lokale Schwächung des Bauteils bzw. eine lokale Freilegung von der Matrix, die es erlaubt, das Bauteil in eine zweite Konfiguration umzuformen.
Entsprechende Offenbarungen zu dem Einsatz von Metalloxidhalbleitern bzw. deren Vorläufer finden sich in den DE 10 2013 112 933 A1 und DE 10 2015 121 067 A1 , in denen der Einsatz von Reparaturpatches für FKV-Bauteile beschrieben ist.
Im Einklang mit den genannten beiden Veröffentlichungen werden unter dem Begriff „Metalloxid“ vorliegend chemische Verbindungen zwischen einem Metall und Sauerstoff verstanden. Unter dem Begriff „Metalloxid-Halbleiter“ werden vorliegend Metalloxide verstanden, die Halbleiter sind, d.h. Festkörper, welche abhängig von ihrem Zustand als elektrische Leiter oder Nichtleiter wirken. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark temperaturabhängig. Bei Raumtemperatur sind sie je nach materialspezifischem Abstand von Leitungs- und Valenzband leitend oder nichtleitend. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern nimmt bei steigender Temperatur zu.
Die katalytische Funktionsweise der Metalloxid-Halbleiter ist wie folgt zu erklären: In Halbleitern können Elektronen durch z.B. thermische Anregung vom Valenzband ins Leitungsband gelangen. An der Stelle, an der sich das Elektron befand, verbleibt ein sog. Defektelektron, auch Elektronenloch genannt. Dieses Elektronenloch wird nun von anderen Elektronen im Valenzband besetzt, wodurch „wandernde“ Löcher entstehen, welche als positive Ladungsträger angesehen werden können. Durch Einfangen gebundener Elektronen kommt es zur Radikalkationenausbildung und deren Ausbreitung im polymeren Substrat, wodurch große Molekülketten in einzelne Fragmente gespalten werden. Anschließend reagieren diese Fragmente mit Sauerstoff in einer vollständigen Oxidation zu Wasser und Kohlendioxid. Daher kann die Matrix an der mindestens einen Stelle bevorzugt vollständig aufgelöst werden.
Es ist vorteilhaft, die in der DE 10 2013 112 933 A1 und der DE 10 2015 121 067 A1 offenbarten Merkmale auch bei der vorliegenden Erfindung einzusetzen, beispielsweise die vorteilhafterweise zu verwendenden Metalloxidhalbleiter bzw. Metallhalbleiteroxide (vorliegend beschreiben beide Begriffe identische Entitäten), also insbesondere vorzugsweise TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃, ZrO₂, WO₃, MoO₃, Ta₂Os, CuO, Cu₂O, V₂O₅, Co₃O₄, CeO₂ oder Mischungen aus den vorgenannten Verbindungen. Der mindestens eine Metalloxid-Halbleiter kann beispielsweise in Pulverform und/oder in gesinterter Form (beispielsweise als sog. Pads) auf die mindestens eine Stelle aufgebracht werden.
Als Vorläufersubstanz für mindestens einen Metalloxidhalbleiter, insbesondere für die oben genannten Metalloxidhalbleiter, können vorteilhafterweise die in der DE 10 2015 121 067 A1 genannten Substanzen verwendet werden. Diese liegen beispielsweise in einem Lösungsmittel vor, wobei zumindest Teile dieses Lösungsmittels bei Umwandlung der mindestens einen Vorläufersubstanz in einen Metalloxidhalbleiter verdampfen.
Bei Verwendung von Vorläufersubstanzen wird demnach nicht unmittelbar ein Metalloxid-Halbleiter, beispielsweise in Pulverform, auf die mindestens eine Stelle aufgebracht, sondern eine Vorläufersubstanz (Precursor) für den Metalloxid-Halbleiter in flüssiger oder in flüssig gelöster Form. Hierbei bedeutet „flüssig gelöste Form“, dass die Vorläufersubstanz in einer Flüssigkeit gelöst vorliegt, insbesondere in mindestens einem Lösungsmittel gelöst. Die besagte Vorläufersubstanz wandelt sich dann durch chemische Reaktion (z.B. Hydrolyse) in den entsprechenden Metalloxid-Halbleiter um. Der Metalloxid-Halbleiter verbindet sich dann stoffschlüssig mit dem Matrixmaterial und kann die Matrix auflösen. Somit kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unmittelbar auf der Oberfläche der zu entfernenden Matrix ein Metalloxid-Halbleiter entstehen.
Vorteilhafterweise wird die mindestens eine Vorläufersubstanz ausgewählt aus einer Gruppe, die Metallalkoxide und Metall-Oxoalkoxide umfasst. Dabei wird unterschieden zwischen homoleptischen Alkoxiden, d.h. das Zentralatom ist mit gleichartigen Liganden umgeben (z.B. Alkoxyliganden, aminofunktionalisierten Liganden), und heteroleptischen Alkoxiden, d.h. das Zentralatom ist mit verschiedenen Liganden (z.B. gesättigte und ungesättigte organische Gruppen, Alkyl- oder Arylreste) umgeben.
Als thermische Aktivierungsquelle für die - direkt oder über entsprechende Vorläufersubstanzen erhaltene - Metalloxidhalbleiter können vorzugsweise mindestens eine Infrarotquelle, eine Ultraviolettquelle, eine Kombination von Infrarot- und Ultraviolettquellen, eine Heißluftquelle, Heizstäbe, Heizdrähte, Heizflammen, Laser, eine induktiv anregbare Heizquelle oder Kombinationen der genannten Aktivierungsquellen verwendet werden. Die Temperatur dieser Aktivierungsquellen wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass die Matrix an den gewünschten Stellen wunschgemäß an- oder aufgelöst wird. Es werden hierbei vorzugsweise hauptsächlich Temperaturen von unterhalb 450°C eingesetzt, vorzugsweise auch unterhalb von 250 °C (beispielsweise im Falle einer UV-Quelle). Die Temperaturen liegen bei Verwendung von CFK vorteilhafterweise unterhalb von ca. 700°C und bei GFK unterhalb von 500°C, damit die Verstärkungsfasern nicht beschädigt bzw. deren strukturmechanische Eigenschaften nicht herabgesetzt werden.
Besonders bevorzugt ist eine Kombination von UV- und IR-Aktivierungsquellen, mit der es möglich ist, die Aktivierungstemperaturen zu reduzieren, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren besonders bevorzugt auch auf Faserkunststoffverbunde (FKV) mit begrenzt temperaturstabilem Faserverstärkungsmaterial, wie z.B. glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), anwendbar ist. Durch die genannte Kombination von UV- und IR-Aktivierungsquellen konnte die Aktivierungstemperatur insbesondere um bis zu 50 % reduziert werden.
Beispielsweise kann durch eine faserschonende UV-induzierte Aktivierung der Metallhalbleiteroxide (HLO) CeO₂ oder TiO₂ (Anatas-Form) bei max. 250°C und einer Wellenlänge von λ=395 nm die duroplastische Matrix zersetzt werden.
Weist das zu rekonfigurierende Bauteil hingegen eine thermoplastische Matrix auf, wird das Bauteil an der mindestens einen Stelle mittels Hitze erweicht, um das Bauteil an dieser Stelle in die zweite Konfiguration umzuformen. Durch die lokale Erweichung der Matrix wird der Biegewiderstand verkleinert und eine Umformung, vorzugsweise mittels einer Biegemaschine, ermöglicht. Die verwendeten Temperaturen der hierzu einsetzbaren Wärmequellen liegen vorteilhafterweise zwischen der Erweichungs- (T_G) und dem Schmelztemperaturbereich der jeweiligen Thermoplaste. Das angestrebte lokale Erhitzen kann beispielsweise mittels Infrarot (z.B. bei Glas- oder Aramidfasern als Verstärkungsmaterialien) oder mittels Induktion (z.B. bei Carbonfasern als Verstärkungsmaterialien) bzw. mittels Direkterhitzung (Kontakt) vorgenommen werden. Wichtig ist auch hier, dass die thermischen Einflüsse auf die Verstärkungsfasern nicht zu ihrer Schädigung führen.
Alternativ oder zusätzlich können andere physikalische Prinzipien zur lokalen Freilegung der Verstärkungsfasern angewandt werden, beispielsweise mechanische Schneide- oder Abhebeverfahren zum Entfernen von beispielsweise Textillagen eines entsprechend aufgebauten Bauteils. Im Falle eines Bauteils aus Beton mit eingelegten Verstärkungsfasern aus Carbon oder Stahl (Stahlstäbe sollen vorliegend ebenfalls unter den Begriff der Verstärkungsfasern subsumiert werden) kann auch beispielsweise eine Fräse eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt wird zum optimalen Auffinden, Behandeln und Umformen der an- oder aufzulösenden, zu entfernenden und/oder aufzuweichenden Matrixstellen im Vorfeld eine rechnergestützte Simulation durchgeführt, vorteilhafterweise unter Einbeziehung der neuen Bauteilgeometrie nach der Umformung und/oder der zu erwartenden Belastungen bei der Umformung und des resultierenden Belastungsvermögens des Bauteils in der zweiten und ggf. jeder weiteren Konfiguration. In diese computergestützten Berechnungen, bspw. auf Grundlage Finiter-Elemente-Simulationen, fließen - neben Faser- und Matrixart, Dicke und Form des Bauteils, usw. - vorzugsweise auch die entweder schon aus der Herstellung des Bauteils bekannten Faserlagen und/oder die durch Messung erhaltenen Faserlagen ein. Solche Messungen können beispielsweise mittels Computertomographie (CT), Ultraschall oder induzierten Wirbelströmen erhalten werden. Die letztgenannte Maßnahme ist insbesondere bei Carbonfasern einsetzbar, da diese elektrisch leitend sind.
Das Bauteil kann aus seiner ersten Konfiguration, d.h. seiner Ausgangskonfiguration, die vorzugsweise dreidimensional ist, aber auch zweidimensional sein kann, in eine zwei- oder dreidimensionale Form umgeformt werden. Auch ist es beispielsweise möglich, das Bauteil aus einer dreidimensionalen Form zunächst in eine zweidimensionale Form in der Art einer Platte umzuformen und beispielsweise zu lagern, um anschließend für eine spezielle Anwendung wieder in eine (andere) dreidimensionale Form zu bringen und in dieser Konstellation zu konsolidieren. Für die Umformung kann Druck und Temperatur auf- bzw. eingebracht werden, um anschließend vorzugsweise eine Reinfiltration bzw. einen neuen Materialauftrag an der entsprechenden Stelle vorzunehmen. Die Umformung kann rein manuell, rein mechanisch oder manuell-mechanisch erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Matrix zumindest abschnittsweise entlang einer Linie an- oder aufgelöst, entfernt und/oder aufgeweicht, wodurch eine lokale Schwächung des Bauteils entlang dieser Linie entsteht, so dass das Bauteil dann entlang dieser Linie umgeformt werden kann. Beispielsweise lässt sich somit eine wandartige Struktur von einer Grundfläche des Bauteils mit einem relativ kleinen Biegeradius wegbiegen.
Es ist vorteilhaft, vor und/oder nach dem Umformen, aber vor dem Reinfiltrieren der Matrix, mindestens eine - wenn vorhanden - schadhafte Stelle in dem Bauteil zu reparieren. Eine solche Reparatur kann beispielsweise mittels eines Reparaturpatches vorgenommen werden, wie es in der DE 10 2013 112 933 A1 und der DE 10 2015 121 067 A1 beschrieben ist. Für entsprechende Details wird auf die Offenbarung dieser beiden Dokumente Bezug genommen.
Es ist vorteilhaft, wenn das Bauteil vor oder nach dem Umformen lokal an der oder den behandelten Stellen mit einer oder mehreren Lagen aus textilem Verstärkungshalbzeug verstärkt wird, wobei vorzugsweise das gleiche textile Verstärkungshalbzeug eingesetzt wird, aus dem das Bauteil aufgebaut ist. Hierdurch können Lasteneinleitungspunkte lokal verstärkt werden.
Auch kann es vorteilhaft und je nach dem angestrebten Anwendungsfall angebracht sein, lokal eine oder mehrere der besagten Lagen textiler Verstärkungshalbzeuge aus der mindestens einen an- oder aufgelösten bzw. aufgeweichten Stelle zu entfernen, was vor oder nach dem Umformen des Bauteils geschehen kann.
Die Erfindung umfasst weiterhin einen Gegenstand mit einem Bauteil, das mit dem hier offenbarten Verfahren hergestellt ist. Solche Gegenstände können unterschiedlichster Art und in unterschiedlichsten Gebieten und Industrien eingesetzt werden, beispielsweise im Fahrzeug- und Flugzeugbau und auch im Carbonbetonbau. Die Erfindung umfasst demgemäß auch die Verwendung eines erfindungsgemäß rekonfigurierten Bauteils zum Einbau in einen entsprechenden Gegenstand.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei werden in den verschiedenen Figuren dieselben Bezugszeichen für Merkmale verwendet, wenn diese in ihrer Ausgestaltung und/oder Wirkweise gleich sind. Es zeigen:

1a-1d eine perspektivische Draufsicht auf ein Bauteil mit duromerer Matrix in der ersten Konfiguration mit aufgebrachtem Metalloxidhalbleiter (1a), nach der lokalen Matrixauflösung (1b), nach Umformung und bei der Reinfiltration (1c) sowie schließlich nach Reinfiltration in der zweiten Konfiguration (1d);
2a-2c eine perspektivische Draufsicht auf ein Bauteil mit duromerer Matrix nach Umformung mit einer lokal neu einzubringenden Lage aus textilem Verstärkungshalbzeug (2a), bei der Reinfiltration (2b) sowie in der reinfiltrierten zweiten Konfiguration (2c);
3a-3b eine perspektivische Draufsicht auf ein Bauteil mit duromerer Matrix nach Umformung mit einer lokal zu entfernenden Lage aus textilem Verstärkungshalbzeug (3a) sowie nach Entfernung der besagten Lage und bei der Reinfiltration ( 3b);
4a-4b eine perspektivische Draufsicht auf ein Bauteil mit thermoplastischer Matrix vor (3a) und nach der Umformung (3b), und
5a-5c schematische Seitenansichten auf ein Bauteil in einer ersten Konfiguration (5a), nach Umformung in eine zweite Konfiguration (5b) und nach Umformung in eine dritte Konfiguration (5c).

In den 1a-1d ist ein Bauteil 1 (nachfolgend auch FKV-Bauteil 1 genannt) in perspektivischer Draufsicht dargestellt, wobei das Bauteil 1 aus einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) mit einer vorzugsweise aus mehreren Lagen 20 textiler Verstärkungshalbzeuge 21 aus beispielsweise Carbon-Endlosfasern besteht. Alternativ kann das Bauteil auch aus anderen temperaturbeständigen Fasermaterialien bestehen. Als textile Verstärkungshalbzeuge 21 kommen insbesondere Gewebe, Gestricke oder Gelege in Frage. Das Bauteil 1 weist vorliegend eine Matrix 5 aus beispielsweise einem handelsüblichen duromeren Epoxidharz auf, in die die textilen Verstärkungshalbzeuge 21 eingebettet sind. Alternativ liegt eine Matrix 5 aus thermoplastischen oder elastomeren Werkstoffen vor, beispielsweise auf Grundlage von Polypropylen, Polyamid oder Polyurethan.
Gemäß einer weiteren Alternative besteht die Matrix 5 aus mineralischen Werkstoffen, beispielsweise Beton. In diesem Fall sind beispielsweise Carbonfasern oder Stahlbetonstreben, als Beispiele für Verstärkungsfasern, in den Beton eingebettet.
Zurückkommend auf das beispielhafte Bauteil 1 mit seiner Matrix aus duromerem Harz, ist in der 1a das Bauteil 1 in einer ersten Konfiguration A dargestellt, bei dem auf eine im Wesentlichen rechteckförmige Stelle 10 entlang einer Linie ein Metalloxid-Halbleiter 15 in Form beispielsweise eines Pads aufgebracht ist. Der Metalloxid-Halbleiter 15 ist beispielsweise CeO₂ oder TiO₂ (Anatas-Form). Alternativ kann auch eine Vorläufersubstanz eingesetzt werden. Zu beiden Varianten wird auf die schon oben genannten DE 10 2013 112 933 A1 und DE 10 2015 121 067 A1 verwiesen.
Mit seiner Aktivierung, vorzugsweise einer thermischen Aktivierung mittels einer Aktivierungsquelle W und/oder Aktivierung durch eine UV-Quelle ( 1a), löst der Metalloxid-Halbleiter 15 die duromere Matrix 5 an der Stelle 10 an oder sogar vollständig auf, so dass die textilen Verstärkungshalbzeuge 21 zu Tage treten und im Extremfall an der Stelle 10 keine Matrix 5 mehr vorhanden ist (s. 1b). In diesem Fall sind die Verstärkungsfasern vollständig von dem polymeren Matrixwerkstoff freigelegt.
Anschließend wird das Bauteil 1 an der Stelle 10 aus seiner ersten Konfiguration A in eine zweite Konfiguration B umgeformt, wobei Umformwerkzeuge eingesetzt werden können. Im Anschluss daran wird die duromere Matrix 5 an der Stelle 10 wieder aufgebaut, beispielsweise durch Reinfiltration (schematisch mit dem Pfeil R gekennzeichnet) mit demselben duromeren Harzmaterial (1c) und/oder einem anderen Matrixmaterial. Die Reinfiltration kann durch ein Harzinjektionsverfahren, beispielsweise mittels lokaler Vakuuminfusion, realisiert werden. Im konsolidierten Zustand ist das Harz ausgehärtet. Das fertig umgeformte Bauteil 1 in der zweiten Konfiguration ist in der 1d dargestellt, wobei der Deutlichkeit halber die Stelle 10, an der das Bauteil 1 umgeformt wurde, gekennzeichnet ist, genauso wie die dort reinfiltrierte Matrix 5.
Besonders bevorzugt wird vor Aufbringen des Metalloxidhalbleiters bzw. dessen Vorgängersubstanz eine rechnergestützte Simulation, bspw. auf Grundlage der Methode der Finiten Elemente, durchgeführt, um zu ermitteln, ob das Bauteil 1 überhaupt geeignet ist, an der geplanten Stelle 10 für den zu erzielenden Einsatz umgeformt zu werden. Insbesondere können durch eine solche Simulation Hinweise darauf erhalten werden, ob die Lagen der textilen Verstärkungshalbzeuge größere und komplexere Umformungen gestatten und insbesondere ob das Bauteil in seiner neuen Konfiguration die erforderlichen Lastaufnahmen gewährleistet. In die Simulationen fließen vorzugsweise auch die entweder schon aus der Herstellung des Bauteils bekannten Faserlagen und/oder die durch Messung erhaltenen Faserlagen, beispielsweise ermittelt durch Ultraschall- oder Wirbelstrom-Messungen, sowie die neue Bauteilgeometrie ein.
Anstelle eines FKV-Bauteils 1 mit duromerer Matrix 5 lässt sich auch ein FKV-Bauteil 1 mit einer elastomeren Matrix 5 wie dargestellt behandeln.
In den 2a-2c ist wiederum in perspektivischer Draufsicht ein FKV-Bauteil 1 dargestellt, dessen duromere Matrix 5 an einer Stelle 10 mittels Metalloxid-Halbleiter 15 schon entfernt wurde. Auch die Umformung von einer ersten Konfiguration A (vgl. 1a) in eine zweite Konfiguration B (s. 2a) ist schon vorgenommen worden. Gemäß der 2a liegt aufgrund der lokalen Auflösung der Matrix 5 das textile Verstärkungshalbzeug 21 frei (der Einfachheit halber ist hier nur eine Lage 20 dargestellt). In der 2a ist schematisch gezeigt, dass eine weitere Lage 22 eines textilen Verstärkungshalbzeugs 21 zusätzlich in diese Stelle 10 zur Verstärkung des fertigen Bauteils 1 eingebracht wird, um dann anschließend eine Reinfiltrierung R vorzunehmen (2b). Das fertige Bauteil 1 in der zweiten Konfiguration B ist in der 2c dargestellt.
In den 3a ist hingegen dargestellt, dass aus der freigelegten Stelle 10 eine Lage 24 eines textilen Verstärkungshalbzeugs 21 entfernt wird, beispielsweise nach Schneiden dieser Lage 24 entlang der beiden Seitenkanten der Stelle 10. Die Lage 24 kann entweder in der ersten Konfiguration A des Bauteils (nicht dargestellt) oder in der zweiten Konfiguration B des Bauteils (3a) vorgenommen werden. Nach Entfernen der Lage 24 kann wiederum die duromere Matrix 5 reinfiltriert werden, s. Pfeil R. Durch das Entfernen von einer oder mehreren Textillagen kann eine komplexe Verformung ohne Strukturverzerrungen bei der Rekonfiguration ermöglicht werden.
Weiterhin ist es möglich (aber nicht dargestellt), ein beschädigtes Bauteil 1 vor und/oder nach dem Umformen an seiner schadhaften Stelle 10 zu reparieren, beispielsweise durch Einbringen eines Reparaturpatches entsprechend der DE 10 2013 112 933 A1 und DE 10 2015 121 067 A1 . Vorzugsweise wird im Falle einer duromeren oder elastomeren Matrix 5 nach der Reparatur eine lokale Reinfiltration der Matrix 5 im Bereich der reparierten Stelle 10 vorgenommen. Durch die sowohl reparierten als auch rekonfigurierten Bauteile sind diese Bauteile für neue Verwendungen einsetzbar. Das ist beispielsweise vorteilhaft, wenn Bauteile zulassungspflichtig sind und demnach bei einer Beschädigung nicht mehr einsetzbar wären. Durch die Reparatur und Rekonfiguration (wobei die Reihenfolge bedarfsgerecht angepasst wird) können diese Bauteile eine neue Verwendung finden.
In den 4a-4b ist ein Bauteil 1 dargestellt, bei dem die Verstärkungsfasern in einer thermoplastischen Matrix 5 vorliegen. Diese wird an einer Stelle 10 zum Zwecke des Umformens mit mindestens einer Wärmequelle W, beispielsweise einer IR-Quelle oder einer induktiven Quelle bzw. einem kontaktierenden Heizelement, erhitzt, wodurch die Matrix 5 lokal aufgeweicht wird. Sodann lässt sich das Bauteil 1 an dieser Stelle 10 von der ersten Konfiguration A (4a) in eine zweite Konfiguration B (s. 4b) umformen. Durch Abkühlen konsolidiert das Bauteil 1.
Andere physikalische Prinzipien zum Freilegen von Teilen der Matrix, alternativ oder zusätzlich zu dem lokalen An- oder Auflösen bzw. Aufweichen der Matrix, können ebenfalls Verwendung finden, beispielsweise das teilweise Entfernen der Matrix mittels Messer oder Fräse. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn das Bauteil mehrere Textillagen aufweist. In diesem Fall können ein oder mehrere Lagen abgehoben werden. Im Falle eines Betonbauteils kann ein Teil des Betons an der für die Rekonfiguration vorgesehenen Stelle mittels einer Fräse o.ä. entfernt werden. Nach dem Umformen können ein oder mehrere mineralische Werkstoffe infiltriert und/oder ergänzt werden, um anschließend das Betonbauteil, insbesondere durch Trocknung, zu verfestigen bzw. sich verfestigen zu lassen.
In den 5a-5c ist in schematischer Seitenansicht ein Bauteil 1 in einer ersten, dreidimensionalen Konfiguration A (5a), nach erfindungsgemäßer Umformung in einer zweiten, zweidimensionalen Konfiguration B (5b) und schließlich nach erfindungsgemäßer Umformung in einer dritten, wiederum dreidimensionalen Konfiguration C dargestellt. In der zweiten Konfiguration B kann das Bauteil 1 z.B. zwischengelagert werden. Auch ist es selbstverständlich möglich, dass die erste Konfiguration A eine zweidimensionale Konfiguration und die zweite Konfiguration B eine dreidimensionale Konfiguration ist. Grundsätzlich kann das Bauteil mehrfach nacheinander erfindungsgemäß umgeformt werden. Zudem kann das Bauteil auch gleichzeitig an zwei oder allgemein mehreren Stellen erfindungsgemäß umgeformt werden.
Weiterhin ist es möglich, dass die mindestens eine Stelle 10 beliebige Formen einnehmen und Verläufe aufweisen kann, so dass unterschiedlichste Biege-Geometrien realisiert werden können, einschließlich unterschiedlichster Biegeradien. Vorliegend wurde bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen eine im Wesentlichen lineare, flächig ausgebildete Stelle 10 beschrieben, die allerdings genauso gut gekrümmte Passagen aufweisen kann. Weiterhin kann das Bauteil 1 vor und/oder nach dem Umformen auf die für die geplante Verwendung passende Größe zugeschnitten werden.
Weiterhin ist es - wie schon erwähnt - gemäß der Erfindung möglich, Bauteile aus mineralischen Werkstoffen, beispielsweise Beton, in den Carbonfasern oder andere Verstärkungsfasern eingebettet sind, mittels der Erfindung zu rekonfigurieren. Hierbei wird die Betonmatrix lokal an der mindestens einen Stelle freigelegt, an dieser Stelle umgeformt und vorzugsweise vor dem Konsolidieren mit einem oder mehreren mineralischen Werkstoffen infiltriert und/oder ergänzt.
In den Figuren wurden zur Veranschaulichung sehr einfache Geometrien dargestellt. Die erste und/oder die zweite und/oder weitere Konfigurationen können selbstverständlich auch wesentlich komplexere dreidimensionale Geometrien aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
5: Matrix
10: Stelle
15: Metalloxid-Halbleiter
20: Lage
21: textiles Verstärkungshalbzeug
22: Lage
24: Lage
A: Konfiguration
B: Konfiguration
R: Pfeil
W: Aktivierungsquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10 2013 112 933 A1 [0020, 0023, 0035, 0042, 0049]
DE 10 2015 121 067 A1 [0020, 0023, 0024, 0035, 0042, 0049]

Claims

Verfahren zum Rekonfigurieren eines Bauteils (1) aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix (5) aus duromeren und/oder thermoplastischen und/oder elastomeren und/oder mineralischen Werkstoffen, sowie in der Matrix (5) eingebetteten Verstärkungsfasern, wobei das Bauteil (1) zunächst in einer ersten Konfiguration (A) vorliegt, und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - die Matrix (5) wird lokal an mindestens einer Stelle (10) an- oder aufgelöst, entfernt und/oder aufgeweicht; - das Bauteil (1) wird zumindest in eine zweite Konfiguration (B) umgeformt; und - das Bauteil (1) wird konsolidiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) eine oder mehrere geschichtete Lagen (20) textiler, aus Verstärkungsfasern bestehender Verstärkungshalbzeuge (21), wie z.B. Gewebe, Gestricke, Gelege oder unidirektionale Schichten, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) vor und/oder nach dem Umformen und vor dem Konsolidieren an zumindest der Stelle (10) mit einem oder mehreren Matrixsystemen aus duromeren und/oder thermoplastischen und/oder elastomeren und/oder mineralischen Werkstoffen infiltriert und/oder ergänzt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für die Reinfiltration derselbe oder ein anderer Werkstoff bzw. ein anderes Matrixsystem verwendet wird als für die ursprüngliche Matrix (5) des Bauteils (1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Matrix (5) aus duromeren Werkstoffen, insbesondere duromerem Harz, oder elastomeren Werkstoffen, mindestens ein Metalloxid-Halbleiter (15) oder eine Vorläufersubstanz für mindestens einen Metalloxid-Halbleiter (15) mit der Matrix (5) in Kontakt gebracht wird und durch dessen Aktivierung, vorzugsweise thermische Aktivierung, die Matrix (5) an mindestens einer Stelle (10) an- oder aufgelöst wird, wobei der mindestens eine Metalloxid-Halbleiter (15) vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt ist, die folgende Mitglieder umfasst: TiO₂ (Anatas-Form), TiO₂ (Rutil-Form), ZnO, SnO₂, Y₂O₃, Cr₂O₃, NiO, Fe₂O₃, ZrO₂, WO₃, MoO₃, Ta₂O₅, CuO, Cu₂O, V₂O₅, Co₃O₄, CeO₂ und Mischungen aus den vorgenannten Verbindungen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Aktivierungsquelle (W) mindestens eine Infrarotquelle, eine Ultraviolettquelle, eine Kombination von Infrarot- und Ultraviolettquellen, eine Heißluftquelle, Heizstäbe, Heizdrähte, Heizflammen, Laser, eine induktiv anregbare Heizquelle oder Kombinationen der genannten Aktivierungsquellen verwendet wird, wobei die mindestens eine Aktivierungsquelle auf die mindestens eine Stelle (10) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Matrix (5) aus thermoplastischen Werkstoffen diese an zumindest der besagten Stelle (10) mittels Hitze erweicht wird, und das Bauteil (1) an dieser mindestens einen Stelle (10) in die mindestens zweite Konfiguration (B) umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (5) an der Stelle (10) zumindest teilweise mechanisch entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der geeigneten mindestens einen Stelle (10) zum An- oder Auflösen, Entfernen und/oder Aufweichen der Matrix (5) und zum nachfolgenden Umformen eine rechnergestützte Simulation vorgenommen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in die Simulation die Geometrie der mindestens zweiten Konfiguration (B) des Bauteils (1) und/oder die Faserlagen an der mindestens einen Stelle (10) einfließen, wobei die Faserlagen beispielsweise bekannt sind und/oder durch Messungen ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix (5) zumindest abschnittsweise entlang einer Line an- oder aufgelöst, entfernt und/oder aufgeweicht wird und eine Umformung des Bauteils (1) entlang dieser Linie durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach dem Umformen eine schadhafte Stelle (10) in dem Bauteil (1) repariert wird, wobei insbesondere im Falle einer duromeren oder elastomeren Matrix (5) vorteilhafterweise nach der Reparatur eine lokale Reinfiltration der Matrix (5) im Bereich der reparierten Stelle (10) vorgenommen wird, wobei vorzugsweise für die Reparatur mindestens ein Reparaturpatch in oder auf die schadhafte Stelle (10) gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Aufbaus des Bauteils (1) aus geschichteten Lagen (20) textiler Verstärkungshalbzeuge (21) nach dem An- oder Auflösen, Entfernen und/oder Aufweichen a) das Bauteil (1) vor oder nach dem Umformen lokal mit einer oder mehreren Lagen (22) textiler Verstärkungshalbzeuge (21) an der mindestens einen Stelle (10) verstärkt wird, oder b) aus dem Bauteil (1) vor oder nach dem Umformen lokal eine oder mehrere der besagten Lagen (24) textiler Verstärkungshalbzeuge (21) entfernt werden.
Gegenstand mit einem darin integrierten Bauteil (1), das gemäß einem oder mehreren der vorherigen Verfahrensansprüche hergestellt ist.