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Bauteile aus faserverstärktem Polymermatrix-Verbundwerkstoff mit metallischer, keramischer und cermetischer Beschichtung

Kurzfassung

Dieses Beschichtungsverfahren nutzt gezielt die flexiblen Produktions- und Formgebungsverfahren von FVK-Werkstoffen und entkoppelt die thermische Belastung des Beschichtungsverfahrens vom Substratherstellungsprozess. Dadurch werden hohe Haftfestigkeiten der funktionalen Schichten auf unterschiedlichen FVK-Systemen erreicht.

Hintergrund

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind vielversprechende Leichtbauwerkstoffe. Die Rohmaterialien und Fertigungs­technologien sind verhältnismäßig günstig und in allen Industrieländern flächendeckend erhältlich.

Problemstellung

Im aktuellen Stand der Technik wird versucht, die Ober­flä­chen von FVK-Bauteilen mittels verschiedenen Be­schich­tungsverfahren zu funktionalisieren. Dieses Vor­gehen erfüllt jedoch häufig zentrale Ansprüche nicht, zum Beispiel hin­sichtlich einer ausreichend hohen Haftfestigkeit der Schicht am FVK-Substrakt. Daher sind FVK-Bauteile durch konventionelle Verfahren nicht oder nur mit erheblichen Mehrkosten realisierbar.

Lösung

Am Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bau­teile (IFKB) der Universität Stuttgart wurde ein neues Beschich­tungsverfahren entwickelt, welches die flexiblen Produkti­ons- und Formgebungsverfahren von FVK-Werkstoffen gezielt ausnutzt und die Belastungen der thermischen Beschichtungsverfahren vom FVK-Substrat prozesstech­nisch entkoppelt.
Eine metallische, keramische oder cermetische Funk­tions­schicht wird durch thermisches Spritzen auf einer Form oder einem Kern (komplex geformte Geometrien sind mög­lich) aus Metall, Kunststoff, Keramik oder Salzen aufgetra­gen, gefolgt von einer Haftvermittlerschicht. Im darauf­folgenden Schritt wird der beschichtete Kern mit in Harz getränkten Fasern umwickelt (z. B. Kohlenstofffaser mit Epoxidharz). Nach dem Aushärten des Polymers folgt die Entformung vom Trägerkern mit der impliziten Über­tragung des Schichtsystems auf das FVK-Bauteil, wo­durch glatte, „net-shaped“-Oberflächen ohne kosten­intensive Nachbearbeitungsschritte erreicht werden können.
Der FVK-Verbund wird unabhängig vom Beschichtungsprozess oder vom Schichtmaterial: Es können beliebige Matrix­werkstoffsysteme und Fasersysteme verarbeitet werden. Außerdem können die beschichteten Formen als Halb­zeuge geliefert werden und ermöglichen somit eine flexible Integration in der Fertigungsprozesskette.

Innenbeschichtete Rohre mit Alu-miniumoxid und mit Titanoxid
Innenbeschichtete Rohre links (weiß) mit Alu-miniumoxid und rechts (dunkelblau) mit Titanoxid [Bild: Universität Stuttgart].

Vorteile

  • Hohe Haftfestigkeit wird gewährleistet
  • Hohe Oberflächengüten der Schicht erzielbar durch Transplantation von Mikro- und Makrostrukturen vom Kern auf die Beschichtung
  • Interessant für mediengeschmierte Tribo-Paarungen oder dekorative Oberflächen etc.
  • Vereinfachte Innenbeschichtung z. B. für Rohre
  • Keine zeitintensive mechanische Nachbearbeitung
  • Keine schädlichen Temperatureinflüsse
  • Beliebige Polymermatrix-Werkstoffe und Fasersysteme verwendbar
  • Spart Kosten

Anwendungsbereiche

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine neue Prozess­route zur Herstellung von verschleiß- und korrosions­be­ständigen hybriden FVK-Bauteilen. Sie ist insbesondere interessant für Bereiche in denen eine leichte Bauweise mit hoher Funktionalität und Robustheit der Oberfläche kombiniert werden soll.

Exposé
Kontakt
Dr. Dirk Windisch
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
windisch(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Prototyp / TRL5
Patentsituation
EP - WO 2018/115124 A1 anhängig
US - WO 2018/115124 A1 anhängig
Referenznummer
16/035TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.