DE102006006337A1 - Räumliche textile Bauteilstruktur auf hochfesten Fäden, sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Räumliche textile Bauteilstruktur auf hochfesten Fäden, sowie Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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Abstract

Aufgabe der Erfindung war es, bekannte Strukturen mit unzureichender Substanzausnutzung durch eine neuartige textile Bauteilstruktur mit verbesserter Substanzausnutzung zu ersetzen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Bauteilstruktur aus übereinander angeordneten, gewickelten Lagen von Fadenscharen (2-4) aus den hochfesten Fäden und mindestens einer sich längs der Bauteilstruktur erstreckenden Fadenschar aus den hochfesten Fäden besteht und dass die Fäden der sich längs erstreckenden Fadenschar durch eine Textilstruktur (5) aus sich verkreuzenden Fadensystemen in ihrer Lage fixiert sind. Durch Vermeidung der Kreuzung der tragenden Fadenschichten ergibt sich sowohl eine nahezu beliebige und der Belastung angepasste Winkelausrichtung, als auch eine Beschränkung auf die hierfür erforderliche Fadenanzahl.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine räumliche, textile Bauteilstruktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
  • Räumliche Strukturen von Bauteilen mit konstantem oder auch nicht konstantem Querschnittsverlauf über die Bauteillänge, werden in zunehmendem Maße unter Verwendung hochfester Textilfäden, z.B. aus Carbonfasern, hergestellt. Diese hochfesten Fäden sind in der Lage, in ihrer Längsrichtung erhebliche Kräfte ohne bleibende Formveränderung aufzunehmen. Diese textilen Strukturen bilden entweder eine Armierung für diese Bauteile oder sind selbst wesentlicher Bestandteil des Bauteils. In letzterem Fall werden die textilen Strukturen durch insbesondere elastische Bindemittel, wie z.B. Kunstharz, in Ihrer Form stabilisiert. Anwendung finden derartige Bauteile im Automobil- oder Luftfahrtsektor sowie im Bereich von Hochleistungsbauteilen für den allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau. Hauptvorteil dieser textilen Konstruktionen ist neben den hohen Festigkeitswerten das geringe spezifische Gewicht, welches insbesondere zur Reduzierung der Trägheit bei ihrer Verwendung in bewegten, insbesondere beschleunigten Bauteilen führt.
  • Ein häufiger Anwendungsfall besteht darin, dass Formkörper, die im Wesentlichen die Form des gewünschten Bauteiles aufweisen, als Kern für die textile Bauteilstruktur dienen.
  • In diesem Zusammenhang ist es bekannt, die textile Bauteilstruktur durch Umflechten des vorgeformten Kernes zu bilden. Dabei können über Klöppelsysteme Fäden im Winkel von 0° bis +/– 45°, bezogen auf die Längsachse des Bauteilkernes, in dieses Geflecht eingebunden werden. Bei 90°-Belastungen im Bauteil ist ein erheblicher Materialeinsatz erforderlich, da die Belastungsrichtung von der Fadenlängsrichtung aller Fäden des Geflechtes abweicht. Des Weiteren verursacht die gleichzeitige Verarbeitung von 45°-Fäden und 0°-Fäden Probleme beim Flechtprozess durch Aufschieber und Spleißer, die durch die Schärkomponenten von Carbonfilamenten aus den beiden Fadensystemen entstehen. Werden aus diesem Grunde 0°-Carbonfäden in 45°-Glasfilamente eingebunden, ist das Gebilde bei 90°-Belastungen sehr instabil. Glasfilamente in Längsrichtung führen wiederum zu einer Instabilität in Längsrichtung.
    •
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine räumliche textile Bauteilstruktur, die der bestimmungsgemäßen Belastung besser angepasst ist, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung dieser räumlichen textilen Bauteilstruktur vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1, sowie verfahrensseitig durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst. Die Erfindung ist durch die Unteransprüche 2 bis 12 und 14 bis 20 vorteilhaft weitergebildet.
  • Der tragende Teil der räumlichen textilen Bauteilstruktur wird durch schichtweise übereinander angeordnete Fadenscharen gebildet, die untereinander keine Kreuzungs- oder Abbindepunkte bilden, die zu Schärkomponenten und damit einer Schädigung der Faserstruktur führen könnten. Diese Fadenscharen können in nahezu beliebigen Winkeln gelegt werden. Ebenso wie der Winkel der Ablage der Fadenscharen kann auch die jeweilige Dichte der Fadenscharen der Belastungssituation in der jeweiligen Richtung angepasst werden. Die Textilstruktur aus sich verkreuzenden Fadensystemen hat lediglich die Funktion der Fixierung der Lage der Fäden der sich längs erstreckenden Fadenschar, die selbst bei sich ändernden Querschnitten der Bauteilstruktur gleichmäßig auf den Umfang verteilt bleiben, das heißt, über den Umfang im Wesentlich gleiche Abstände zueinander besitzen. Der erfindungsgemäße Schichtenaufbau kann bei sehr hohen Längskräften auch mehrere durch je eine Textilstruktur fixierte, sich längs erstreckende Fadenscharen aufweisen.
  • Durch die Anpassung des Winkels der Ablage der jeweiligen Fadenschar zur Bauteilachse wird erreicht, dass die Kraftkomponenten bei Belastung im Wesentlichen in Längsrichtung der hochfesten Fäden verlaufen. Dies führt zu einer optimalen Substanzausnutzung der hochfesten Fäden. Dies wiederum führt dazu, dass für eine bestimmte Belastungssituation ein ökonomischer Faserstoffeinsatz möglich ist. Ablagerichtung und Anzahl der Fäden sind demzufolge der Belastungssituation angemessen. Der Winkelbereich der Ablage der Fadenscharen, bezogen auf die Längsachse des Bauteiles, reicht von 0° bis nahezu 90°. Damit sind alle denkbaren Varianten der Belastung abgedeckt. Dabei wird sichtbar, dass die Erfindung eine für die geforderte Kraftaufnahme maßgeschneiderte Konstruktion gestattet.
  • Alternativ können die Fadenscharen in einem gleich bleibenden oder sich ändernden Ablagewinkel verlegt sein. Ein gleich bleibender Winkel gewährleistet eine einheitlich geschlossene Struktur der Fadenlagen, während bei sich änderndem Winkel lokale Belastungszustände optimal berücksichtigt werden können. Die Ablagestruktur muss demzufolge in Abhängigkeit von der bekannten Belastungsstruktur beim Einsatz des Bauteiles vorbestimmt werden.
  • Die die Längsfäden fixierende Textilstruktur kann aus Fäden gebildet werden, an deren Zugfestigkeit keine mit den hochfesten Fäden vergleichbaren Anforderungen gestellt werden und die an den Kreuzungspunkten selbst keinen Schaden nehmen. Hierfür kommen beispielsweise Glasfilamente in Frage, die deutlich preiswerter sind als beispielsweise Fäden aus Carbonfasern.
  • Die sich kreuzenden Fadensysteme der Textilstruktur, deren Fäden vorteilhaft einen geringeren Querschnitt aufweisen als die hochfesten Fäden, sind in Weiterbildung der Erfindung zugunsten einer gestreckten Lage der hochfesten Fäden stärker ausgeformt. Dadurch wird ebenso wie bei den anderen Fadenlagen eine in Kraftbeanspruchungsrichtung gestreckte Lage der lastaufnehmenden Fäden gewährleistet. Die Längsfäden sind vorteilhaft als so genannte Stehfäden in die Textilstruktur eingebunden.
  • Die Textilstruktur kann alternativ als Geflecht oder Gewirk ausgebildet sein. Die Bauteilstruktur ist beispielsweise durch ein Harz räumlich stabilisiert.
  • Verfahrensseitig werden um einen vorgeformten Kern die Fadenlagen aus Fadenscharen in unterschiedlichen Winkeln nacheinander angeordnet, das heißt, dass Verlegemechanismen und Bauteil relativ zueinander bewegt werden, wobei die Verlegemechanismen hintereinander angeordnet sind. Dadurch werden um den Bauteilkern nacheinander die Schichten in verschiedenen Winkeln aufgebaut. Die sich längs der Bauteilstruktur erstreckende Fadenschar wird in ihrer Lage mittels einer Textilstruktur aus sich kreuzenden Fadensystemen fixiert. Hinsichtlich der Reihenfolge der Anordnung der einzelnen Fadenschichten gibt es keine zwingende Vorschrift, auch wenn die Bildung der längs angeordneten Fadenschar als innerste Lage vorteilhaft ist. Abschließend kann jedoch eine weitere Lage aus sich längs erstreckenden Fäden gebildet werden.
  • Die unterschiedlichen Verlegewinkel werden einerseits durch die Umfangsgeschwindigkeiten von den die Fadenscharen führenden Verlegemitteln und andererseits durch die Relativgeschwindigkeit zwischen Bauteil und Verlegemitteln bestimmt. Wird beispielsweise bei gleicher Relativgeschwindigkeit zwischen Verlegemitteln und Bauteil die Umfangsgeschwindigkeit der Verlegemittel erhöht, erhöht sich auch der Winkel zur Längsachse des Bauteiles bzw. des Kernes des Bauteiles. Im Falle einer sehr hohen Umfangsgeschwindigkeit der Verlegemittel für die Fadenscharen und einer geringen Vorschubgeschwindigkeit des Bauteiles kann ein Ablagewinkel von nahezu 90° erreicht werden. Nehmen die Verlegemittel an einer Rotation nicht teil, werden so genannte 0°-Fäden abgelegt, die koaxial zur Bauteillängsachse verlaufen. Diese Fäden werden dann als so genannte Stehfäden in die Textilstruktur eingebunden. Je nach Rotationsrichtung der Verlegemittel werden positive oder negative Ablagewinkel im Verhältnis zur Längsachse erzielt.
  • Durch Veränderung der jeweiligen Geschwindigkeiten können die Verlegewinkel lokalen Anforderungen angepasst werden.
  • Die Textilstruktur aus sich verkreuzenden Fadensystemen zur Fixierung der längs orientierten Fadenlagen ist für die späteren Gebrauchseigenschaften der Bauteilstruktur nahezu ohne Belang. Es ist also darauf Wert zu legen, dass der Materialeinsatz so gering wie möglich bzw. notwendig gewählt wird und das Verfahren eine hohe Produktivität gewährleistet. Das heißt, dass die Struktur auch relativ offen gestaltet werden kann, wodurch sich die Leistungsfähigkeit dieses Prozesses erhöht. Insbesondere ist es vorteilhaft, die sich kreuzenden Fäden mit relativ geringer Fadenspannung zuzuführen, um die sich aus der Verkreuzung ergebenden Texturen nahezu vollständig durch diese Fäden aufzunehmen, während die Kraft aufnehmenden Längsfäden nahezu vollständig gestreckt in die Textilstruktur eingebettet sind.
  • Da alle Legeprozesse und der Fixierprozess der Längsfäden gleichzeitig, das heißt, während eines Durchlaufes der Bauteilstruktur in Stufen ablaufen können, ist eine hohe Produktivität gewährleistet.
  • Durch das anschließende Abbinden mit einem Harz wird die Struktur auch räumlich so fixiert, dass es möglich ist, den beim Erzeugen der textilen Bauteilstruktur noch erforderlichen Kern anschließend zu entsorgen. Es entsteht ein Hohlkörper, der sowohl gute Elastizitäts- als auch hervorragende Trageeigenschaften besitzt. Dessen niedriges Gewicht sorgt darüber hinaus für hervorragende Eigenschaften in der Anwendung.
  • Das Entsorgen des Kernes kann durch Auflösen des Kernmaterials (lösliche Sande) oder Schrumpfen (beispielsweise aufblasbare Struktur) erfolgen.
    •
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige Figur zeigt die textile Bauteilstruktur inklusive Kern im Herstellungsprozess.
  • Der Kern 1 ist beispielsweise als Stoßstange eines Automobils geformt. Dieser Kern 1 wird in Pfeilrichtung durch die entsprechenden Zuführorgane für die Fadenscharen 2 bis 4, sowie die Flechtwerkzeuge zur Erzeugung eines Geflechtes 5 geschoben.
  • Zunächst wird eine Fadenschar 2 zugeführt, deren Zuführorgane ortsfest angeordnet sind, so dass diese Fadenschar parallel zur Längsachse des Kernes 1 liegt. Diese Fadenschar 2 wird mittels eines Geflechtes 5 als Schar von so genannten Stehfäden eingebunden und in ihrer Lage so fixiert, dass auch bei Form- und Querschnittsänderungen des Kerns die Fäden der Fadenschar 2 gleiche Abstände zueinander über den Umfang des Kerns 1 haben.
  • Die Fadenschar 3 wird im Urzeigersinn um den Kern 1 mit relativ hoher Umfangsgeschwindigkeit gelegt, sodass sich ein Ablagewinkel von ca. 70° ergibt. Die Fadenschar 4 wird in Gegenrichtung um den Kern 1 mit etwas geringerer Umlaufgeschwindigkeit gelegt. Dadurch ergibt sich ein Ablagewinkel von –60°.
  • Alternativ zur Bewegung des Kernes 1 könnten auch die entsprechenden Lege- und Flechtorgane entlang des Bauteiles bewegt werden. Es kommt hierbei jeweils auf die entsprechende Relativgeschwindigkeit an.
  • Zur Vereinfachung ist in der Zeichnung jeweils nur ein Faden der jeweiligen Fadenschar 2–4 dargestellt. In der Praxis wird, wie durch den Begriff „Fadenschar" zum Ausdruck kommt, eine Schar parallel zueinander liegender Fäden gelegt. Dabei sollte die Breite der Fadenschar so eingestellt werden, dass beim Wickeln die Lagen so nebeneinander zu liegen kommen, dass der gleich bleibende Fadenabstand nicht nur innerhalb der Schar gewährleistet ist, sondern auch zwischen den spiralförmig verlaufenden Lagen.

Claims (20)

  1. Räumliche textile Bauteilstruktur aus hochfesten Fäden, die im bestimmungsgemäßen Einsatz Belastungen in definierten Richtungen ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilstruktur aus übereinander angeordneten, gewickelten Lagen von Fadenscharen (2–4) aus den hochfesten Fäden und mindestens einer sich längs der Bauteilstruktur erstreckenden Fadenschar aus den hochfesten Fäden besteht und dass die Fäden der sich längs erstreckenden Fadenschar durch eine Textilstruktur (5) aus sich verkreuzenden Fadensystemen in ihrer Lage fixiert sind.
  2. Räumliche textile Bauteilstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fadenscharen in Winkeln zur Bauteilachse angeordnet sind, die auf die definierten Hauptbelastungsrichtungen so abgestimmt sind, dass die bei Belastung wirkenden Kraftkomponenten im Wesentlichen in Längsrichtung der hochfesten Fäden verlaufen.
  3. Räumliche textile Bauteilstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der hochfesten Fäden innerhalb der jeweiligen Fadenschar unterschiedlich und auf die Höhe der vorgesehenen Belastungen abgestimmt ist.
  4. Räumliche textile Bauteilstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fadenscharen in einem Winkelbereich von 0° bis nahezu 90° angeordnet sind.
  5. Räumliche textile Bauteilstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Fadenschar in einem gleich bleibenden Winkel verlegt ist.
  6. Räumliche textile Bauteilstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer Fadenschar der Ablagewinkel in Abhängigkeit von lokalen Belastungszuständen des Bauteils bei seinem bestimmungsgemäßen Einsatz variiert.
  7. Räumliche textile Bauteilstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Fäden der sich längs erstreckenden Fadenschar fixierende Textilstruktur aus Fäden gebildet ist, die gegenüber den hochwertigen Fäden des Schichtenaufbaus geringwertiger sind.
  8. Räumliche textile Bauteilstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden der fixierenden Textilstruktur einen geringeren Querschnitt als die hochfesten Fäden aufweisen die weitgehend gestreckte Form der hochfesten Fäden nicht beeinträchtigen.
  9. Räumliche textile Bauteilstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Textilstruktur durch Flechten erzeugt ist.
  10. Räumliche textile Bauteilstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Textilstruktur eine Gewirkestruktur ist.
  11. Räumliche textile Bauteilstruktur nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zu fixierenden Fäden als Stehfäden eingebunden sind.
  12. Räumliche textile Bauteilstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fadenscharen mittels Kunstharz räumlich stabilisiert sind.
  13. Verfahren zur Erzeugung von räumlichen textilen Bauteilstrukturen gemäß Anspruch 1, die zumindest während ihres Herstellungsprozesses um einen vorgeformten Kern angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass Fadenscharen als Fadenlagen in unterschiedlichen Winkeln nacheinander um den vorgeformten Kern zur Erzeugung von selbständigen Schichten aus parallelen hochfesten Fäden gelegt werden, wobei mindestens eine sich längs der Bauteilstruktur erstreckende Fadenlage durch eine Textilstruktur aus sich verkreuzenden Fadensystemen fixiert wird, während die übrigen Fadenscharen gewickelt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Verlegewinkel durch die Umfangsgeschwindigkeit von den die Fadenscharen führenden Verlegemitteln im Verhältnis zur Geschwindigkeit der Positionsänderung des Bauteilkernes gegenüber den Verlegemitteln eingestellt werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die sich verkreuzenden Fäden der Textilstruktur unter einer solch geringen Fadenspannung zugeführt werden, dass sie die Fäden aus hochwertigem Material die sie fixieren, nicht spürbar aus deren Verlegerichtung auslenken.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung der sich längs erstreckenden Fadenlage durch Flechten erfolgt.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung der sich längs erstreckenden Fadenlage durch Wirken erfolgt.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche textile Bauteilstruktur nach deren Herstellung durch ein Kunstharz abgebunden und dadurch in Ihrer Form fixiert wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Fixieren der Form der textilen Bauteilstruktur der vorgeformte Kern entsorgt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aufgelöst oder geschrumpft, und in diesem Zustand aus der hohlen Bauteilstruktur entfernt wird.
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