DE102005017225A1

DE102005017225A1 - Multiaxialgelege

Info

Publication number: DE102005017225A1
Application number: DE102005017225A
Authority: DE
Inventors: Bernd Preissler; Gisela Gross
Original assignee: P-D Glasseiden Oschatz GmbH; P D Glasseiden GmbH Oschatz
Current assignee: P-D Glasseiden Oschatz GmbH; P D Glasseiden GmbH Oschatz
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2005-12-01

Abstract

Bei der Herstellung von Faserverbund-Kunststoffen (FVK) bewirken bekannte Multiaxialgelege ein gutes Kennwertniveau in Bezug auf die Biege-, Zug- und Torsionsfestigkeit. Hinsichtlich der Drapierfähigkeit/Konturenanschmiegsamkeit bei der Verarbeitung entsprechen sie den Ansprüchen jedoch nur ungenügend. Das erfindungsgemäße Multiaxialgelege soll diesen Mangel beseitigen und eine kostenmäßige Verbesserung bei der Herstellung von Faserverbund-Kunststoffen gewährleisten. DOLLAR A Um dem Multiaxialgelege eine verbesserte Drapierfähigkeit/Konturenanschmiegsamkeit zu verleihen, wird als untere oder obere Decklage ein undirektionales (UD) Filamentgewebe (1) eingesetzt. Das UD-Gewebe (1) kann auch als Mittellage dienen. Die Filamentfäden des UD-Gewebes (1), des Faservlieses (4) und der Fadenlagen (2), (3) können Glas-, Aramid-, Carbonfilamente oder Kombinationen daraus sein. DOLLAR A Das Multiaxialgelege eignet sich für die Herstellung von FVK auf der Basis von Polyester-, Epoxid-, Vinylester- und Phenolharzen im Handlaminier-, Pultrusions-, Vakuum- und Injektionsverfahren, für die kontinuierliche Plattenherstellung und andere Pressverfahren sowie das Schleuder- und Wickelverfahren.

Description

–Die Erfindung betrifft ein Multiaxialgelege gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und seine Verwendung gemäß Anspruch 8.
Multiaxialgelege sind seit Ende der 80iger Jahre auf dem Markt bekannt. Mit Multiaxialgelegen hergestellte Faserverbund-Kunststoffe (FVK) sind in hervorragender Weise geeignet, aus entsprechenden Richtungen eingeleiteten Kräften direkt entgegenzuwirken und für Festigkeiten zu sorgen.
Multiaxialgelege aus Textilglasfilamenten bieten das beste Festigkeits-Kostenverhältnis.
Ihre optimale Auslegung hinsichtlich ihrer Fadendichten und Fadenwinkel in den verschiedenen Belastungsrichtungen der Bauteile ermöglichen geringe spezifische Gewichte.
Bei Einsatz von Textilglashohlfasern wird dieser Effekt noch weiter verbessert.
Multiaxialgelege ist nach der Europäischen Norm EN 13473 Teil 1–3:2001, konform mit der Deutschen Norm
„durch ein Maschensystem oder ein chemisches Bindemittel fixiertes Flächengebilde, das aus einer oder mehreren parallelen gestreckten Fadenlagen besteht, das unterschiedlich orientiert ist, unterschiedliche Fadendichten der Einzellagen vorweist und in das Faservliese, Folien, Schäume oder andere Materialien integriert werden kann. Die Fadenscharen können parallel oder wechselweise kreuzend gelegt werden. Diese Multiaxialgelege können auf Anlagen mit Schusseintragssystemen (Parallelschuss oder Kreuzschuss) verwirkt oder chemisch fixiert werden." Der Lagenaufbau von Multiaxialgelegen kann biaxial, triaxial, quatroaxial sein. Derzeitig bekannt sind bis zu neun Fadenlagen.
Schnittmatte und Vlies sind die in der Praxis üblichen Decklagen auf der Ober- und Unterseite von Multiaxialgelegen.
Multiaxialgelege kann aus mehreren parallel gestreckten Fadenlagen bestehen. Im Einzelfall kann ein Multiaxialgelege aus einer parallel gestreckten Fadenlage und einer Decklage aufgebaut sein, vorrangig ist die Decklage ein Faservlies in ungebundener, mechanisch oder chemisch verfestigter Form.
Im Produktionsprozess der Herstellung von FVK ist ein maßgeblicher Parameter das Tränkverhalten der Verstärkungsfasern. Es ist von hoher wirtschaftlicher Bedeutung für den Hersteller von FVK.
Zur Bewertung des Tränkverhaltens wird in der Praxis u.a. die Benetzungszeit bestimmt.
Für die Bauteildimensionierung ist die Biegesteifigkeit des FVK von herausragender Bedeutung. Die Biegesteifigkeit ist das Maß für den Widerstand, den ein Körper einer Verbiegung entgegensetzt.

In EP 1 112 400 ist ein Verfahren zur Herstellung beispielsweise eines 7-lagigen Multiaxialgeleges bekannt, bei welchem die 0°-Fadenlagen an jeder beliebigen Stelle zugeführt werden können. Die Fäden der 0°-Lage werden mittels lagesichernder bzw. verteilungssichernder Hilfsmittel im Bereich der Nähwirkmaschine geführt. Zur Lage- bzw. Verteilungssicherung wird vorgeschlagen, die Fadenlagen mit einem Kleber zu besprühen bzw. zu benetzen oder eine Thermofixierung durchzuführen. Zur Lage- und Verteilungssicherung werden auch Nadelsysteme vorgeschlagen. Die Verklebung der Fadenlage oder die Thermofixierung hat den Nachteil, dass die Schiebefestigkeit erhöht und in der Folge die Konturenanschmiegsamkeit verschlechtert wird. Gleichzeitig wird die Benetzungszeit, das Tränkverhalten und die Entlüftungszeit bei der FVK-Herstellung negativ beeinflusst. Das zusätzliche Führen der Fäden in Nadelsystemen führt zu Elementarfadenbrüchen, die das Kennwertniveau des FVK herabsetzen und die Entlüftungszeiten zusätzlich verschlechtern.

Um eine höhere Konturenanschmiegsamkeit/Drapierfähigkeit zu erreichen, wurden zahlreiche Versuche durchgeführt.

– mit speziellen Ausrüstungen der Filamente
– variablen Maschendichten und Legungsarten sowie
– verschiedenen Feinheiten des Kett- und der Schussfadensysteme.

Die Versuche brachten in der Gesamtheit unbefriedigende Ergebnisse. Der Effekt der Steifigkeit wird durch das Übereinanderliegen der Fadenlagen, insbesondere durch die Kettfadenlage und deren Einbindung in die multiaxiale Struktur noch verstärkt.

Bekannte Multiaxialgelege sind zwar für die Herstellung von FVK mit hohen Steifigkeiten sehr gut geeignet, und zeichnen sich durch ein gutes Kennwertniveau hinsichtlich Biege-, Zug-, Druck-, Schlag- und Torsionsfestigkeit aus, sind aber hinsichtlich ihrer Drapierbarkeit mangelhaft. Die Konturenanschmiegsamkeit dieser Multiaxialgelege ist verständlicherweise auf Grund ihrer Struktur sehr gering und dichte parallele Fadenlagen führen zu verzögerten Benetzungszeiten und bei der Herstellung von Faserverbund-Kunststoffen zu längeren Taktzeiten.

Bekannte Verstärkungsmaterialkombinationen wie in EP 0193479 B1 beschrieben, bestehen aus mehreren Lagen unidirektionalem Gewebe, auch in Kombination mit Faservliesen. Die Schussfäden bilden hierbei eine dichte Schicht. Die Kettfäden sind die Bindefäden, sie schmelzen zumindest oberflächlich bei Wärme.

Bei der Herstellung der Verstärkungsmaterialkombination wird die Ausrichtung der Schussfäden des unidirektionalen Gewebes im Hinblick auf die Kettfäden derart modifiziert, dass der Winkel zwischen den Schussfäden beliebig, vorzugsweise 45° sein kann. Die Verbindung der unidirektionalen Gewebe kann durch Nähwirken oder Kleben erfolgen.

Die bei Wärme schmelzenden Bindefäden können eine Lagesicherung der Verstärkungsmaterialkombination bewirken. Derartig bekannte Verstärkungsmaterialkombinationen sind in ihrer Herstellung aufwendig, weil eine Vorfertigung der Schusslagen erfolgen muss.

Die in EP 0193479 beschriebene Herstellungstechnologie hat den Nachteil, dass eine Winkelgenauigkeit in der Verlegung der Schussfadenlagen in engen Toleranzen nicht garantiert wird. Abweichungen in der Winkelgenauigkeit führen zu einer Absenkung des Kennwertniveaus im Faserverbund Kunststoff.

Wärmeschmelzende Kettfäden führen zu einer Versteifung des verzogenen unidirektionalen Gewebes und einer Erhöhung der Schiebefestigkeit sowohl in der Lage, als auch der Lagen untereinander. Die Drapierfähigkeit wird dadurch reduziert.

Auch eine in EP 0672 776 weiterentwickelte Verstärkungsmaterialkombination, die Gitter oder Netz aus wärmeschmelzbaren synthetischen Material als zusätzliche, zwischen den Einzellagen (unidirektional) aufweist, hat die vorgenannten Nachteile. Ein aus dieser Verstärkungsmaterialkombination hergestellter faserverstärkter Kunststoff weist Inhomogenitäten auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Multiaxialgelege zu schaffen, welches ein verbessertes Verformungsverhalten (Drapierfähigkeit) im FVK ein hohes Kennwertniveau sichert, verstärkungsarme Zonen vermeidet, eine gleichmäßige Oberflächenstruktur aufweist und die Herstellung von FVK qualitativ und kostenseitig verbessert.

Diese Aufgabe wird mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 erläutert. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Multiaxialgeleges nach den vorgenannten Ansprüchen ist Gegenstand des Anspruchs 8.

Gemäß der Erfindung werden der Wirkstelle einer Nähwirk-/Kettenwirkmaschine mit Schusseintragssystem folgende Flächengebilde und parallel gestreckte Fadenlagen aus Textilglas, Aramid-, Carbon-, Basalt- und Hohlfasern, Hybridgarne, beschichtete Fäden und Kombinationen daraus, vorzugsweise aus Textilglas zugeführt:

– unidirektionale (UD-)Filamentgewebe
– Fadenlagen in +/– 22,5° bis 90°-Lage
– Faservlies.

Das Vernähen erfolgt mit nur einem Nähvorgang mittels organischer, anorganischer oder organisch beschichteter Fäden. Die Gesamtflächenmasse kann 300 bis 2400g/m² betragen.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Multiaxialgeleges erfolgt zur Herstellung von FVK auf der Basis von Polyester-, Epoxy-, Vinylester- und Phenolharze im Handlaminierverfahren, Pressen, Pultrusion, kontinuierlichen Plattenherstellung, Vakuum- und Injektionsverfahren, Schleudern, Wickeln bzw. kombinierten Verfahren
Der Gegenstand der Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene Beispiel beschränkt ist
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Multiaxialgeleges
2 Benetzungszeiten des erfindungsgemäßen Erzeugnisses und des Vergleichserzeugnisses
3 Biegesteifigkeit des Faserverbund- Kunststoffes mit dem erfindungsgemäßen Multiaxialgelege und des Vergleichserzeugnisses
In 1 bedeuten:

1: UD-Gewebe
1a: Kettfaden des UD-Gewebes
2: Schuß-Fadenlagen (+45°)
3: Schuß-Fadenlagen (+45°)
4: Faservlies
5: Fadensystem (Polyestergarn)

Erfindungsgemäßes Erzeugnis
EN 13473-1 [G, UD-Gewebe 200 g/m²//G, 200 g/m², –45°//G, 200 g/m², +45°//G, geschnittene Fasern 200 g/m²][PES, 8g L][Code]
Ein unidirektionales (UD) Filamentgewebe (1) mit einer Flächenmasse von 200 g/m², davon beträgt der Anteil der 0°-Kettfäden 180g/m², wird ohne produktbeeinflussende Hilfsmittel als untere Lage, und in bekannter Weise diagonal im Winkel von ±45° Schussfadenlagen (2)/(3) mit einer Flächenmasse von je 200 g/m² und als obere Decklage ein Faservlies (4) (Flächenmasse von 200g/m²) und Schnittlängen ab 50mm der Nähwirkstelle zugeführt und mit Polyestergarn (5) in Fransebindung mit einer Stichlänge von 3–5mm auf einer Nähwirkmaschine vernäht.
Das erfindungsgemäße Multiaxialgelege hat eine Gesamtflächenmasse von 820 g/m². Das erfindungsgemäße Multiaxialgewebe aus Textilglasfilamenten wird für die Herstellung von komplex gekrümmten Bauteilformen mit höchsten Ansprüchen im Bootsbau verwendet.
Vergleichserzeugnis
EN 13473-1 [G, 150 g/m², +45°//G, 150 g/m², –45°//G, 300 g/m², 0°//G, geschnittene Fasern 200 g/m²][PES, 10g L][Code]
Diagonale Schussfadenlagen im Winkel von +/– 45° mit einer Flächenmasse von je 150 g/m², einer 0°-Kettfadenlage mit einer Flächenmasse von 300 g/m² und als obere Decklage ein Faservlies aus einer Schnittmatte (Flächenmasse: 200g/m²) und mit einem Polyestergarn in Trikotbindung vernäht.
Die Gesamtflächenmasse des Vergleichserzeugnisses beträgt 800 g/m².
In 2 wird der Benetzungsgrad mit UP-Harzsystem des erfindungsgemäßen Erzeugnisses mit dem Vergleichserzeugnis dargestellt. Der Benetzungsgrad wurde bestimmt mit einer hauseigenen Prüfnorm Die Prüfnorm basisiert auf einer filterfotometrischen Methode. Sowohl nach 1 min. als auch nach 10 min Einwirkzeit des Harzes auf das erfindungsgemäße Erzeugnis und das Vergleichserzeugnis zeigt das erfindungsgemäße Erzeugnis ein um 30% verbessertes Benetzungsverhalten.
3 zeigt die Biegesteifigkeit des FVK mit dem erfindungsgemäßen Multiaxialgelege und des Vergleichserzeugnisses im Vergleich. Die Prüfung wurde nach DIN EN 63 – Biegeversuch – in 0°-Faserorientierung durchgeführt. Die Biegesteifigkeit wurde aus dem Produkt des Elastizitätsmoduls und dem Flächenträgheitsmoment des Balkenquerschnittes berechnet. Im Vergleich der Faserverbund-Kunststoffe (erfindungsgemäß und Vergleichserzeugnis) erreicht der Faserverbund-Kunststoff mit dem erfindungsgemäßen Multiaxialgelege eine Biegestreifigkeit von 2,5 Nm². Das Vergleichserzeugnis erreicht 0,8 Nm².
Das erfindungsgemäße Multiaxialgelege hat den weiteren Vorteil, dass zusätzliche lage- und verteilungssichernde Hilfsmittel zur Herstellung nicht erforderlich und Inhomogenitäten im FVK durch Zusatzstoffe nicht vorhanden sind.
Das verwendete UD- Gewebe mit einem Kett-Schussanteil von mindestens 4:1 garantiert, dass die Kettfäden in definiertem Abstand zueinander liegen, was eine Voraussetzung für die schnelle Entlüftung bei der Herstellung des FVK ist.
Eine Beschädigung der Elementarfäden durch die Verwendung von zusätzlichen Nadelsystemen ist ausgeschlossen.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass durch die Einbringung des UD-Filamentgewebes in das erfindungsgemäße Erzeugnis eine Flexibilisierung der Lagen zueinander und eine verbessertes Verformungsverhalten (Drapierbarkeit) der Gesamtheit des Multiaxialgeleges erfolgte, insbesondere, wenn das LTD- Gewebe kettorientiert ist. (1)
Nach derzeitigem Kenntnisstand gibt es für das Verformungsverhalten textiler Flächengebilde für FVK kein normiertes Messverfahren, so dass dieser Parameter in der Praxis am konkreten Anwendungsfall getestet wird.
Vorteilhaft ist außerdem, dass mit dem erfindungsgemäßen Multiaxialgelege die beim UD-Gewebe vorhandenen Kettfäden durch die sehr geringen Bindebögen flach gehalten werden und deshalb bei der Verwendung als obere/untere Decklage eine fast strukturlose Oberfläche beim FVK entsteht.
Ein weiterer Vorteil ist, dass es mit den in der Praxis gängigen Verfahren verarbeitet werden kann, weil es in beliebigen Flächenmassen herstellbar ist und der Anteil glasarmer Zonen vermieden wird.

Claims

Multiaxialgelege bestehend aus mindestens einem textilen Flächengebilde, parallelen Fadenlagen aus Multifilamentfäden und mindestens einem Fadensystem, dadurch gekennzeichnet dass, ein textiles Flächengebilde ein unidirektionales Gewebe aus Multifilamentfäden ist.
Multiaxialgelege nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, die Multifilamentfäden der Flächengebilde und/oder der Fadenlagen Glas-, Carbon-, Aramid-, Basaltfilamente sowie Hohlfasern, Hybridgarne, beschichtete Fäden und Kombinationen daraus sind.
Multiaxialgelege nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet dass, das Verhältnis Kette und Schuss des unidirektionalen Gewebes mindestens 4:1 beträgt.
Multiaxialgelege nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass, das unidirektionale Gewebe die obere Deckschicht ist.
Multiaxialgelege nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass, das unidirektionale Gewebe zwischen oberer und unterer Deckschicht in beliebiger Lage angeordnet ist.
Multiaxialgelege nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet dass, das unidirektionale Gelege die untere Deckschicht ist.
Multiaxialgelege nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet dass, das Fadensystem aus organischen, anorganischen oder organisch beschichteten Fäden besteht.
Verwendung des Multiaxialgeleges nach den Ansprüchen 1–7 für das Handlaminier-, Pultrusion, Vakuum- und Injektionsverfahren, kontinuierliche Plattenherstellung und andere Pressverfahren, Schleudern, Wickeln zur Verstärkung von Polyester-, Epoxy-, Vinylester- und Phenolharze.