DE102005000115B4 - Verfahren zur Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn unter Verwendung mindestens einer Faserlage aus einem flächig ausgebreiteten Faserverband, wobei diese mindestens eine, im Winkel zur Erstreckungsrichtung der zu erzeugenden Gelegebahn verlaufende Faserlage in einem kontinuierlichen Falt-Wickel-Vorgang zu einem mehrschichtigen, multidirektionalen Gelege umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Falt-Wickel-Vorgang unter Einschluss mindestens einer zumindest in der Falt-Wickel-Zone in ausgebreitetem Zustand frei in Produktionsrichtung laufenden Materialbahn (1) erfolgt und dass die einzuschließende Materialbahn (1) um ihre Längsachse (5) rotiert, während ein Vorrat (4a; b; 11; 12; 13; 14) der mindestens einen Faserlage (3a; b; 19) in alpha-Orientierung zur Längsachse (5) der einzuschließenden Materialbahn (1) angeordnet ist, oder dass mindestens eine Faserlage (3a; b; 19) eine Umlaufbewegung um die flächig ausgebreitete, frei laufende Materialbahn (1) ausführt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn.
- Bi- und multidirektionale Gelegeaufbauten sowie Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt. Derartige Gelege kommen u. a. als textile Verstärkungsstrukturen in Faserverbundanwendungen, vorrangig mit einem Lagenaufbau von ±45°, zum Einsatz. Für viele Anwendungsfälle ist die Bi- bzw. Multidirektionalverstärkung in ±alpha-Richtung jedoch nicht ausreichend. Hier wird mindestens eine weitere Lage mit 0°-Orientierung benötigt. Diese zusätzliche Materiallage ist erforderlich, um neben den Belastungen in der ±alpha-Richtung im späteren Faserverbundbauteil auch in der 0°-Richtung Kräfte aufnehmen zu können.
- Stand der Technik
- In
EP 0 768 167 A2 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem ein vorzugsweise in ±45°-Richtung biaxial verstärktes Gelege hergestellt wird. Dabei wird ein unter dem Legewinkel ±alpha zur Produktionsrichtung des biaxialen Geleges auf eine Wendetischplatte auflaufendes, mittels eines Haftfadengitters vorfixiertes unidirektionales Fasergelege in einem Falt-Wickel-Prozess zu einer zweilagigen Gelegebahn umgeformt. Die zweilagige Gelegebahn wird durch eine Transportvorrichtung von der Wendetischplatte abgezogen und durch ein Druckwalzenpaar verfestigt. - Beim Abziehen und Ausbreiten der nur durch die netzförmige Struktur der aufgetragenen Haftfäden vorfixierten biaxialen Faserlagen von der Wendetischplatte kommt es zum Verziehen der abgelegten Faserschichten. Ohne das Vorhandensein einer stabilisierenden Trägerschicht in Form einer Transporthilfe in Produktionsrichtung, die im biaxialen Gelegeaufbau die während des Abziehens, Ausbreitens und Transportieren des Geleges auftretenden Beanspruchungen in der Gelegefläche aufnimmt, ist eine verzugsfreie Fixierung mit der angestrebten hohen Oberflächenqualität über die gesamte Gelegebreite der in ±alpha-Orientierung abgelegten Faserschichten nur sehr schwer möglich.
- In
EP 0 768 167 A2 wird weiterhin die Möglichkeit erwähnt, die benötigte 0°-Lage und/oder zusätzliche Materiallagen in einem weiteren, vom Gelegebildungsprozess getrennten, zusätzlichen Arbeitsschritt auf das fertige ±alpha-Gelege aufzukaschieren. Dies beseitigt jedoch die vorgenannten Probleme nicht. Es ist auf diese Weise auch nicht mehr möglich, die Forderung nach einer zwischen den beiden Winkellagen angeordneten 0°-Lage zu erfüllen. -
JP 2003-221771 A - Nachteilig ist hierbei die Einbringung der doppelseitig klebenden Bänder in die Kantenbereiche des Geleges, die zu einer unterschiedlichen Dicke im Gelege führen. Demzufolge müssen die verdickten Ränder entweder in einem zusätzlichen Arbeitsgang entfernt oder als Qualitätsmangel hingenommen werden. Weiterhin werden die Randbereiche des Geleges durch die Kantenelemente mit erheblichem Abstand gebildet, da zwischen den Kantenelementen die von den doppelseitig klebenden Bändern abzuziehenden Abdeckbänder aus der Legezone zurückgeführt werden müssen. Beim Abziehen des Gelegeschlauches werden sich dadurch Verzüge im Gelege einstellen. Das Einbringen einer stabilisierenden, innenliegenden 0°-Lage ist auch mit dieser Vorrichtung nicht möglich, so dass die entstehende Gelegebahn keine Verzugsstabilität in Produktionsrichtung aufweist.
- Aus
US 2004/0082244 A1 - Aus
DE 102 51 581 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen textiler Vorformlinge aus textilen Halbzeugen bekannt. In diesem Verfahren wird zunächst ein Flechtprozess für ein Vorgeflecht durchlaufen. Nach einem Auftrag auf das Vorgeflecht wird das Vorgeflecht in einem Umform- bzw. Drapiervorgang umgeformt. Dann erfolgt eine Fixation des Vorgeflechts zu einem textilen Halbzeug. Das textile Halbzeug wird im nächsten Schritt auf einen Träger aufgebracht. Schließlich erfolgt die Verarbeitung des Halbzeuges zu einem textilen Vorformling, der für die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffgegenstandes vorgesehen ist. Dabei sind für das Verfahren unterschiedliche Herstellungsverfahren für zwei- und dreidimensionale Gebilde, wie Weben, Wirken, Stricken, Flechten, möglich. - Aufgabenstellung
- Aufgabe der Erfindung
- Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn zu schaffen, die über eine in Längsrichtung verlaufende Materiallage verfügt und damit hinreichende Stabilität gegen Verzüge in der Gelegefläche aufweist.
- Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale enthalten die Ansprüche 2 bis 10.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung multidirektionaler Gelege ist ein kontinuierlicher Falt-Wickel-Prozess, bei dem eine oder mehrere, in einem Legewinkel ±alpha orientierte Faserlagen aus einem flächig ausgebreiteten Faserverband um mindestens eine zweite, in Produktionsrichtung (der 0°-Richtung) orientierte Materialbahn gewickelt werden.
- Die Faserlagen werden kontinuierlich von Vorlagewickeln geliefert oder abgezogen, zu einem Multidirektionalgelege gefaltet, gewickelt und abgelegt, fixiert und ggf. weiteren Verarbeitungsschritten zugeführt. Das Wickeln erfolgt um die Kanten der in 0°-Orientierung flächig ausgebreiteten, frei laufenden Materialbahn, ohne dass im Inneren des entstehenden Gelegeschlauches angeordnete, stabilisierende bzw. beim Falt-Wickel-Vorgang auftretende und auf die Materialbahn wirkende Belastungen aufnehmende zusätzliche Elemente wie ein Wickeltisch oder Kantenführungen vorhanden sind.
- Das Umwickeln der Bahnkanten der in 0°-Richtung orientierten Materialbahn mit der/den im Legewinkel +/–alpha zugeführten Faserlage(n) kann, geeignete Vorlagematerialien vorausgesetzt, ohne weiteres direkt um die Kanten der 0°-Materialbahn erfolgen.
- Die Erfindung sieht jedoch auch vor – und dies wird bei den meisten Materialbahnen erforderlich sein – die Faserlagen während des Falt-Wickel-Vorganges vor Anlegen an die jeweilige Kante der Materialbahn zu falzen, und zwar an der Stelle, die unmittelbar danach an der Bahnkante zu liegen kommen wird.
- Im herzustellenden Multidirektionalgelege lassen sich durch den erfindungsgemäßen Gelegebildungsprozess die unterschiedlichsten Lagenaufbauten und Strukturen realisieren. Das Gelege ist somit als Verstärkungstextil sehr gut an die späteren Bauteilanforderungen anpassbar.
- Durch die Kombination unterschiedlichster Faser- bzw. Materialarten sowie Fixierung und Bindungssysteme können verschiedene Flächenmassen, Gelegeaufbauten und Oberflächenstrukturen realisiert werden. Möglich sind z. B. Multidirektionalgelege geringer Flächenmassen mit homogener, spaltfreier Oberfläche für Bauteile mit hohen Anforderungen an die optische Oberflächenqualität.
- Vorlagematerialien für die in 0°-Richtung verlaufende Materialbahn können sowohl lose oder als textile Fläche gebundene (z. B. Gewebe, Gelege, Gewirke, Vliese usw.), uni- oder multidirektional angeordnete Einzelfasern, Rovings, Fäden oder Faserschichten als auch Materialbahnen (z. B. Abstandsstrukturen) sein.
- Für die Faserlagen kommen als Ausgangsfaserstoffe alle Verstärkungsfasern für Kunststoffe (z. B. Glas-, Kohle- und Aramidfasern) sowie Naturfasern (z. B. Flachs, Jute, Sisal) und Kunststofffasern (z. B. PP, PES, PE) in Betracht. Die Einzelfaserlage kann dabei aus homogenem Fasermaterial oder gemischten Faserstoffen bestehen (z. B. Hybridfaserlage), unfixiert oder durch verschiedene Bindesysteme (z. B. Nähfäden, schmelzklebende oder permanente Klebstoffe), fixiert sein. Die Faserlagen können außerdem wiederum aus multidirektionalen Gelegen oder vorverfestigten textilen Flächen (z. B. Gewebe, Gewirke, Vliese usw.) bestehen.
- Des weiteren sind mit dem beschriebenen Gelegebildungsverfahren Hybrid- und Mehrlagenaufbauten (z. B. Wabenstrukturen) kontinuierlich herstellbar.
- Die Verfestigung des Gelegeaufbaus zu einem handhabbaren, d. h. schiebefest verbundenen Multidirektionalgelege kann durch während des Wickelvorgangs separat eingebrachte Bindesysteme (z. B. permanente Klebstoffe) oder durch bereits in das vorgefertigte Vorlagematerial eingebrachte Bindesysteme unter Druck oder unter Hitze und Druck erfolgen. Auch weitere Verfestigungsarten, z. B. mechanische, sind möglich.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Materialbahn
- 1a; b
- Materialbahnkante
- 2
- Vorlagewickel
- 3a; b
- Faserlage
- 4a; b
- Vorlagewickel
- 5
- Bahnlaufachse
- 6
- Bahnlaufachse
- 7
- Gelege
- 8
- Fixierung
- 9
- Fertigwickel
- 10
- Abmessung
- 11
- Vorlagewickel
- 12
- Vorlagewickel
- 13
- Vorlagewickel
- 14
- Vorlagewickel
- 15
- Materiallage
- 16
- Materiallage
- 17
- Vorlagewickel
- 18
- Vorlagewickel
- 19
- Faserlage
- 20
- Zulaufstrecke
- 21
- Materialbahn
- alpha
- Legewinkel
- alpha1
- Legewinkel
- alpha2
- Legewinkel
- Beispiel
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
-
1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, in der eine 0°-Materialbahn mit zwei flächig ausgebreiteten Faserlagen umwickelt wird, -
2 eine Darstellung analog zu1 , wobei jedoch jede Faserlage aus zwei parallel zueinander laufenden Faserlagen zusammengesetzt ist, -
3 einen Querschnitt entsprechend Schnittlinie A-A in1 bzw.2 und in -
4 eine Darstellung analog zu1 , wobei zwei Faserlagen in unterschiedlichen Legewinkeln auf die 0°-Materialbahn aufgewickelt werden. - In
1 ist das erfindungsgemäße Verfahren grundlegend dargestellt. Die Materiallage1 wird von dem Vorlagewickel2 abgezogen bzw. geliefert. Der Vorlagewickel2 ist in einer nicht näher dargestellten Abwickelstation angeordnet. Die Materialbahn1 erstreckt sich zwischen dem Vorlagewickel2 und dem in einer ebenfalls nicht näher dargestellten Aufwickelstation angeordneten Fertigwickel9 in einem Winkel von 0° zur Produktionsachse bzw. Längsachse der herzustellenden Gelegebahn und wird deshalb im folgenden auch als 0°-Materialbahn1 bezeichnet. - Gemäß der Erfindung erstreckt sich die Materialbahn
1 zwischen Vorlagewickel2 und Fertigwickel9 , zumindest jedoch in der Falt-Wickel-Zone, in flächig ausgebreitetem Zustand und frei laufend, d. h. ohne zusätzliche Halte- oder Unterstützungsmittel wie z. B. einen Wickeltisch. - Unter den Legewinkeln +alpha bzw. –alpha werden von den Vorlagewickeln
4a und4b aus einem flächig ausgebreiteten Faserverband bestehende Faserlagen3a und3b seitlich entlang der Bahnlaufachsen6a ; b zugeführt. - Der Falt-Wickel-Vorgang erfolgt, indem die zugeführten Faserlagen
3a ; b durch eine relative Drehbewegung der Materialbahn1 um die Bahnlaufachse5 gegenüber den Vorlagewickeln4a ; b der Faserlagen3a ; b über die Kanten1a ; b der Materialbahn1 spalten- und verzugsfrei aufgewickelt und dabei um die Kanten1a ; b der Materialbahn1 gefaltet werden. - Diese relative Drehbewegung zwischen den genannten Elementen kann einerseits durch die zu einander synchrone Rotation des Vorlagewickels
2 und des Fertigwickels9 um die Bahnlaufachse5 erreicht werden. Möglich ist jedoch auch eine Rotation der Vorlagewickel4a ; b um die Materialbahn1 um die Bahnlaufachse5 . Auch eine Überlagerung beider Bewegungen ist denkbar. - Im Ausführungsbeispiel wird der erstgenannte Fall dargestellt. Der Vorlagewickel
2 und der Fertigwickel9 sind dazu in der Ablauf- bzw. Aufwickelstation um die Bahnlaufachse5 drehbar angeordnet. Die Vorlagewickel4a ; b der Faserlagen3a ; b sind seitlich der Bahnlaufachse5 in alpha-Orientierung zur Produktionsrichtung angeordnet. - Durch das Umwickeln der Materialbahn
1 mit den Faserlagen3a ; b entsteht ein multidirektionales Gelege7 mit dem Lagenaufbau +/–alpha, 0°, –/+alpha. Die Materialbahn1 wird dabei mit einer Geschwindigkeit zwischen Vorlagewickel2 und Fertigwickel9 bewegt, die dem Versatz der Faserlagen3a ; b in den Schnittpunkten mit den gegenüberliegenden Kanten1a ; b der Materialbahn1 entspricht. Die Transportbewegung in Richtung der Bahnlaufachse5 fördert das Gelege zur Fixierung8 , wo es verfestigt wird. Anschließend wird es auf den Fertigwickel9 aufgewickelt oder weiteren Verarbeitungsschritten (z. B. Schneiden, Stapeln, Magazinieren) zugeführt. - Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass bei dem Falt-Wickel-Vorgang die Faserlagen
3a ; b unmittelbar auf die flächig ausgebreitete, frei laufende Materialbahn1 aufgelegt werden. Bei entsprechender Stabilität der Materialbahn1 , insbesondere deren Kanten1a ; b, können die Faserlagen3a ; b direkt im Kontakt mit den Kanten1a ; b gefaltet werden. - Ist diese ausreichende Stabilität nicht gegeben, dann erfolgt die Faltung der Faserlagen
3a ; b, indem diese bereits vor Anlegen an die jeweilige Kante1a ; b gefalzt werden, und zwar so, dass der entstehende Abschnitt zwischen zwei Falten mindestens der Breite der Materialbahn1 entspricht. -
2 zeigt eine weitere vorteilhafte Varianten des Verfahrens. Zur Minimierung der geometrischen Abmessung10 der Vorlagewickel der unter dem Legewinkel alpha zugeführten Faserlagen ist es vorgesehen, mehrere Vorlagewickel11 ,12 ,13 und14 ein- oder beidseitig zuzuführen. Diese Vorlagewickel11 ,12 ,13 und14 sind so angeordnet, dass die von ihnen ablaufenden Faserlagen3a ; b unmittelbar benachbart Kante an Kante abgelegt werden. -
3 veranschaulicht den Aufbau des entstehenden Geleges. Die Materialbahn1 kann einlagig sein, aber beispielsweise auch aus mehreren unterschiedlichen Materiallagen15 und16 , die von den Vorlagewickeln17 und18 in Richtung der Bahnlaufachse5 abgezogen bzw. geliefert werden, aufgebaut sein. - In
4 ist die Anordnung einer weiteren seitlichen Materialzuführung zusätzlich zu einer ersten Faserlage3 dargestellt. Durch Zuführung einer oder mehrerer zusätzlicher Faserlagen19 können multidirektionale Gelege7 in höherer Lagenzahl mit unterschiedlichsten Legewinkeln alpha1 und alpha2 als komplexe Gelegestrukturen hergestellt werden. Unter Verlängerung der Zulaufstrecke20 ist es ebenso möglich, weitere 0°-Materialbahnen21 in den Gelegebildungsprozess zu integrieren. - Nicht dargestellt sind Einrichtungen zum Aufbringen von Klebstoffen zur Verbindung von Materialbahn
1 und Faserlagen3a ; b;19 untereinander. Diese können sowohl nach der Abwickelstation für den Vorlagewickel2 der Materialbahn1 als auch im Bahnlauf der Faserlagen3a ; b;19 angeordnet sein.
Claims (10)
- Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn unter Verwendung mindestens einer Faserlage aus einem flächig ausgebreiteten Faserverband, wobei diese mindestens eine, im Winkel zur Erstreckungsrichtung der zu erzeugenden Gelegebahn verlaufende Faserlage in einem kontinuierlichen Falt-Wickel-Vorgang zu einem mehrschichtigen, multidirektionalen Gelege umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Falt-Wickel-Vorgang unter Einschluss mindestens einer zumindest in der Falt-Wickel-Zone in ausgebreitetem Zustand frei in Produktionsrichtung laufenden Materialbahn (
1 ) erfolgt und dass die einzuschließende Materialbahn (1 ) um ihre Längsachse (5 ) rotiert, während ein Vorrat (4a ; b;11 ;12 ;13 ;14 ) der mindestens einen Faserlage (3a ; b;19 ) in alpha-Orientierung zur Längsachse (5 ) der einzuschließenden Materialbahn (1 ) angeordnet ist, oder dass mindestens eine Faserlage (3a ; b;19 ) eine Umlaufbewegung um die flächig ausgebreitete, frei laufende Materialbahn (1 ) ausführt. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltung der mindestens einen Faserlage (
3a ; b;19 ) durch Anlegen an die gespannten Kanten (1a ; b) der Materialbahn (1 ) erfolgt. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltung der mindestens einen Faserlage (
3a ; b;19 ) erfolgt, indem die Faserlage (3a ; b;19 ) vor Anlegen an die jeweilige Kante (1a ; b) der Materialbahn (1 ) gefalzt wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Materialbahn (
1 ) ausgewählt ist aus gebundenen textilen Flächen wie Geweben, Gelegen, Gewirken, Vliesen, uni- oder multidirektional angeordneten Einzelfasern, Rovings, Fäden oder Faserschichten. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Materialbahn (
1 ) eine Abstandsstruktur wie ein Abstandsgewirke oder eine Wabenstruktur enthält. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der mindestens einen Faserlage (
3a ; b;19 ) ausgewählt ist aus Verstärkungsfasern für Kunststoffe wie Glas-, Kohle- und Aramidfasern, sowie Naturfasern wie Flachs, Jute, Sisal und Kunststofffasern wie Polypropylen, Polyester, Polyethylen. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art des Flächengebildes der mindestens einen Faserlage (
3a ; b;19 ) ausgewählt ist aus homogenem Fasermaterial, gemischten Faserstoffen wie Hybridgarne, unfixierten Lagen, durch Bindesysteme wie Nähfäden, schmelzklebende Klebestoffe, permanente Klebstoffe fixierten Lagen, multidirektionalen Gelegen, vorverfestigten textilen Flächen wie Geweben, Gewirken, Vliesen. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (
1 ) der zumindest einen aufzubringenden Faserlage (3a ; b;19 ) zugewandte klebefähige Oberflächen aufweist. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine aufzubringende Faserlage (
3a ; b;19 ) eine der Materialbahn (1 ) zugewandte klebefähige Oberfläche aufweist. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberflächen der Materialbahn (
1 ) und/oder der mindestens einen Faserlage (3a ; b;19 ) unmittelbar vor dem Falt-Wickel-Vorgang ein Klebemittel aufgebracht wird.
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