DE102006025753A1 - Method for inserting reinforcement fibers into a semi-finished textile product for the production of fiber composite component, comprises surrounding reinforcement fibers with a liquefied carbon dioxide for mechanical stabilization - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Verstärkungsfasern in ein textiles Halbzeug sowie ein textiles Halbzeug mit eingebrachten Verstärkungsfasern.The The present invention relates to a method for introducing reinforcing fibers in a semi-finished textile and a semi-finished textile with introduced Reinforcing fibers.
Textile Halbzeuge (z. B. Gewebe, Gelege, Geflechte, Vliese etc.) werden beispielsweise zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen, auch als "Faserverbundbauteile" bezeichnet, benötigt.Textile Semi-finished products (eg fabrics, scrims, braids, nonwovens, etc.) For example, for the production of fiber-reinforced components, also referred to as "fiber composite components" required.
Die Verwendung von Faserverbundbauteilen ist vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) in vielen Anwendungsbereichen interessant. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Werkstoff höherwertige Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.The Use of fiber composite components is mainly because of their high specific strength (ratio from strength to weight) in many applications interesting. A fiber composite material is a mixed material, in general consists of two main components, namely a matrix and therein embedded fibers. Through mutual interactions of these Receives components the material higher quality Properties as each of the two individually involved components.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen werden Fasern, einlagige textile Halbzeuge oder mehrlagige textile Halbzeuge aus mehreren derartigen übereinander geschichteten Lagen bereitgestellt und in einer Matrix (z. B. Harz) eingebettet.at The production of fiber composite components will be fibers, single-layered semi-finished textile products or multi-layer semi-finished textile products of several such over each other layered layers and in a matrix (eg resin) embedded.
Mit geschichteten Faserwerkstoffen lassen sich besonders einfach multiaxiale Verstärkungsgebilde schaffen, bei denen die Fasern lagenweise in jeweils gleicher oder unterschiedlicher Richtung angeordnet sind. Wenn diese Lagen in Stapelrichtung lediglich durch die Matrix miteinander verbunden sind, so besteht bei mechanischen Belastungen des Bauteils die Gefahr einer Schichtentrennung (Delaminie rung). Eine zusätzliche Verstärkung in Stapelrichtung ("Z-Richtung") ist daher wünschenswert.With layered fiber materials can be particularly easily multiaxial reinforcing structure create, in which the fibers in each case in the same or are arranged in different directions. If these layers in Stacking direction are interconnected only by the matrix, so there is a risk of mechanical stress on the component a delamination (delamination). An additional reinforcement in the stacking direction ("Z direction") is therefore desirable.
Aus
der
Dieses bekannte Verfahren zum Einbringen von Verstärkungsfasern in ein textiles Halbzeug besitzt eine Reihe von Nachteilen. Ein erster Nachteil besteht darin, dass ein spezieller Untergrund (Trägerlage) zum Fixieren der eingebrachten Verstärkungsfäden benötigt wird. Ferner ermöglicht das bekannte Verfahren kein Einbringen von einzelnen Verstärkungsfasern sondern lediglich von daraus gebildeten linienförmigen textilen Gebilden wie Garnen oder Zwirnen. Schließlich führt das bekannte Verfahren zu einer beträchtlichen mechanischen Schädigung des Halbzeugs durch die verwendeten Sticknadeln.This Known method for introducing reinforcing fibers into a textile Semifinished products have a number of disadvantages. A first disadvantage exists in that a special substrate (carrier layer) for fixing the introduced Reinforcing threads is needed. Furthermore allows the known method no introduction of individual reinforcing fibers but only of formed from it linear textile structures such as Yarns or plying. After all does that known method to a considerable mechanical damage of the semi-finished by the embroidery needles used.
Ein ähnliches Verfahren zum Einbringen von Verstärkungsfasern in ein textiles Halbzeug ist aus der WO 03/011576 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird das Halbzeug zunächst von einer Seite her durch eine rotierende Nadel ("pathway deposition probe") durchbohrt und beim Zurückziehen der Nadel von der anderen Seite her eine Verstärkungsfaser in den von der Nadel geschaffenen Kanal in das Halbzeug eingeschoben.A similar Process for introducing reinforcing fibers into a textile Semi-finished product is known from WO 03/011576 A1. In this process the semi-finished product is first pierced by a rotating needle ("pathway deposition probe") from one side and when retiring the needle from the other side a reinforcing fiber in the of the Needle created channel inserted into the semi-finished product.
Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren vor allem wieder die Schädigung des Halbzeugs durch eine im Vergleich zum Durchmesser der einzubringenden Verstärkungsfaser relativ dick bemessenen Nadel zur Ausbildung eines Einführkanals.adversely is in this known method, especially the damage of the Semifinished by a compared to the diameter of the introduced reinforcing fiber relatively thick sized needle to form an insertion channel.
Bei beiden bekannten Verfahren hinterlassen die verwendeten Nadeln Hohlräume, in denen sich z. B. bei einer späteren Infiltration mit Harzmaterial überschüssiges Harz ansammelt, wodurch die mechanischen Eigenschaften des fertigen Faserverbunds beeinträchtigt werden.at both known methods leave the needles used cavities, in which z. B. at a later Infiltration with resin material excess resin accumulates, causing the mechanical properties of the finished fiber composite impaired become.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem die vorstehend erläuterten Nachteile aus dem Stand der Technik vermieden werden können und insbesondere textile Halbzeuge hergestellt werden können, mittels welchen Faserverbundbauteile mit verbesserter Festigkeit gefertigt werden können.It It is an object of the present invention to provide a method of the beginning specify the type mentioned, in which the above-mentioned disadvantages can be avoided from the prior art and in particular textile Semi-finished products can be produced, by means of which fiber composite components with improved strength can be made.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. ein textiles Halbzeug nach Anspruch 7. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.These Task is solved by a method according to claim 1 or a textile semifinished product according to claim 7. The dependent ones claims relate to advantageous developments of the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern zur mechanischen Stabilisierung derselben mit einem verflüssigten Gas umgeben und im mechanisch stabilisierten Zustand in das textile Halbzeug getrieben werden.The inventive method is characterized in that the reinforcing fibers for mechanical Stabilization of the same surrounded by a liquefied gas and in the mechanically stabilized state in the semi-finished textile become.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere die mechanische Verstärkung von so genannten Preformen in der Faserverbundtechnologie. Dabei wird kein spezieller Untergrund benötigt, die Halbzeuge bzw. Preformen werden weniger geschädigt und es verbleiben keine Hilfsstoffe oder Rückstände in der Preform. Die Infiltrierbarkeit unterscheidet sich vorteilhaft nicht von anderen harzfreien Preformtypen.The Invention allows in particular the mechanical reinforcement of so-called preforms in fiber composite technology. There will be no special underground needed the semi-finished products or preforms are less damaged and no auxiliaries or residues remain in the preform. The infiltriability does not differ favorably from other resin-free preform types.
Durch das an eine Verstärkungsfaser oder ein aus mehreren Verstärkungsfasern bestehendes Gebilde (z. B. Verstärkungsfaden, "Roving" etc.) geführte verflüssigte Gas wird eine mechanisch stabilisierte "Verstärkungsfasernadel" gebildet, die auch ohne vorherige Ausbildung eines Einführkanals in das textile Halbzeug eingetrieben bzw. eingestochen werden kann. Mit anderen Worten bilden die Verstärkungsfasern selbst in das Textil eindringende "Nadeln". Wenn das Gas während des Eindringens der Verstärkungsfasern in das textile Halbzeug verdampft, so bildet dieses Gas eine Hülle, die das Eindringen erleichtert. Nach dem Verdampfen des Gases verbleibt eine in der gewünschten Richtung eingebrachte Verstärkungsfaser bzw. ein aus solchen Verstärkungsfasern gebildetes Verstärkungsgebilde wie z. B. ein Faden im textilen Halbzeug.By that to a reinforcing fiber or one of several reinforcing fibers existing structure (eg reinforcing thread, "roving" etc.) guided liquefied gas is a mechanically stabilized "reinforcing fiber needle" is formed, which also without previous training of an insertion channel driven into the textile semi-finished product or can be inserted. In other words, the reinforcing fibers themselves form in the Textile penetrating "needles". If the gas during the Penetration of the reinforcing fibers vaporized into the semi-finished textile, so this gas forms a shell, the facilitates the penetration. After evaporation of the gas remains one in the desired one Direction introduced reinforcing fiber or one of such reinforcing fibers formed reinforcing structure like z. B. a thread in the textile semifinished product.
Die "Verstärkungsfasernadel" ist allenfalls geringfügig dicker als die Verstärkungsfaser(n) selbst. Dadurch bleibt der Einstichkanal sehr klein und die umgebenden Fasern des Halbzeugs werden kaum verschoben. Der Gasmantel kann einen Gleitfilm beim Eintreiben bzw. Einstechen bilden und den Stichwiderstand reduzieren. Das zu Hilfe genommene Gas verflüchtigt sich am Ende restlos von selbst aus dem Halbzeug. Die Infiltrierbarkeit wird nicht beeinträchtigt.At most, the "reinforcing fiber needle" is slightly thicker as the reinforcing fiber (s) themselves. As a result, the puncture channel remains very small and the surrounding fibers of the semi-finished product are hardly moved. The gas jacket can be a sliding film when driving or piercing form and reduce the resistance. The used gas volatilizes at the end completely by itself from the semi-finished product. The infiltriability will not be affected.
Die Verflüssigung des Gases kann durch entsprechende Temperierung (Abkühlung) und/oder Druckbeaufschlagung erfolgen bzw. unterstützt werden.The liquefaction of the gas can by appropriate temperature (cooling) and / or pressurization carried out or supported become.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als das verflüssigte Gas verflüssigtes Kohlendioxid verwendet. Kohlendioxid ist in belüfteten Räumen praktisch ungiftig. Derselbe Vorteil kann z. B. bei Verwendung von verflüssigter Luft oder verflüssigtem Stickstoff erzielt werden.In a preferred embodiment is liquefied as that Gas liquefied Used carbon dioxide. Carbon dioxide is practically non-toxic in ventilated rooms. the same Advantage can z. B. when using liquefied air or liquefied nitrogen be achieved.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das verflüssigte Gas in einem (thermodynamisch) überkritischen Zustand an die Verstärkungsfasern geführt wird. Ganz allgemein liegt ein überkritischer Zustand eines Stoffes dann vor, wenn dessen Temperatur über der kritischen Temperatur und dessen Druck über dem kritischen Druck liegt und der Unterschied zwischen "gasförmiger Phase" und "flüssiger Phase" nicht mehr feststellbar ist. In dieser Hinsicht wird ein überkritisches Gas oftmals auch als überkritisches Fluid bezeichnet.In an embodiment is provided that the liquefied Gas in a (thermodynamic) supercritical Condition to the reinforcing fibers guided becomes. In general, there is a supercritical Condition of a substance then if its temperature above the critical temperature and whose pressure is above the critical pressure and the difference between "gaseous phase" and "liquid phase" is no longer detectable is. In this regard, a supercritical gas often becomes too as supercritical Fluid refers.
Hinsichtlich der Verwendung eines überkritischen verflüssigten Gases eignet sich z. B. wieder Kohlendioxid in der Praxis besonders gut, da dessen kritische Temperatur mit 31°C etwa bei Raumtemperatur liegt und dieser Zustand somit in einfacher Weise im Wesentlichen allein durch eine Druckbeaufschlagung (kritischer Druck: ca. 7,4 MPa) erreicht werden kann.Regarding the use of a supercritical liquefied Gas is suitable for. B. again carbon dioxide in practice especially good, since its critical temperature of 31 ° C is about room temperature and thus, this state is essentially alone in a simple manner be achieved by pressurization (critical pressure: about 7.4 MPa) can.
Zur Erzielung einer möglichst effektiven mechanischen Verstärkungswirkung durch die einzubringenden Verstärkungsfasern ist es von Vorteil, wenn das die Verstärkungsfasern umgebende verflüssigte Gas in die Verstärkungsfasern eindringen gelassen wird. Insbesondere können die Verstärkungsfasern mit dem verflüssigten Gas derart imprägniert werden, dass dieses Gas Hohlräume wie z. B. Kapillaren in oder an den Verstärkungsfasern zumindest größtenteils, wenn nicht sogar im Wesentlichen vollständig füllt.to Achieve as much as possible effective mechanical reinforcement effect through the reinforcing fibers to be introduced it is advantageous if the liquefied gas surrounding the reinforcing fibers is advantageous in the reinforcing fibers is allowed to penetrate. In particular, the reinforcing fibers with the liquefied Gas impregnated in such a way be that this gas cavities such as Capillaries in or on the reinforcing fibers, at least for the most part, if not substantially completely filled.
Grundsätzlich können für die Erfindung beliebige Faserarten verwendet werden. Neben einer Vielzahl von Naturfasern kommen als Chemiefasern z. B. Kohlefasern, Glasfasern oder Aramidfasern in Betracht. Falls einzelne Fasern als solche in das textile Halbzeug eingebracht werden sollen, so sind Fasern mit Hohlräumen, die eine Imprägnierung mit dem verflüssigten Gas ermöglichen, bevorzugt (z. B. poröse Chemiefasern). Alternativ oder zusätzlich können Hohlräume wie Kapillaren auch als Zwischenräume innerhalb eines aus Verstärkungsfasern gebildeten Verstärkungsfadens vorgesehen werden.Basically, for the invention Any fiber types are used. In addition to a variety of Natural fibers come as chemical fibers z. As carbon fibers, glass fibers or aramid fibers. If individual fibers as such are to be introduced into the semi-finished textile, so are fibers with cavities, the one impregnation with the liquefied Allow gas preferred (eg porous Man-made fibers). Alternatively or additionally, cavities such as capillaries may also be considered interspaces within one formed from reinforcing fibers reinforcing thread be provided.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das verflüssigte Gas unter erhöhtem Druck in einem Abgabestutzen bereitgestellt, aus welchem das Verstärkungsgebilde bestehend aus einer oder mehreren Verstärkungsfasern abgegeben und in das textile Halbzeug hineingetrieben wird. In einem solchen Abgabestutzen kann in einfacher Weise das verflüssigte Gas mit dem Verstärkungsgebilde in Kontakt gebracht werden. Bei dem Abgabestutzen kann es sich z. B. um eine Düse handeln, aus welcher eine oder mehrere Verstärkungsfasern herausgetrieben und in das textile Halbzeug hineingetrieben werden.In a preferred embodiment becomes the liquefied one Gas under elevated Provided pressure in a dispensing nozzle, from which the reinforcing structure consisting of one or more reinforcing fibers and delivered is driven into the textile semi-finished product. In such a dispensing nozzle can easily the liquefied gas with the reinforcing structure be brought into contact. In the discharge nozzle, it may be z. B. around a nozzle act, driven out of which one or more reinforcing fibers and are driven into the textile semi-finished product.
Bei einem außerhalb des Abgabestutzens wesentlich geringerem Druck (z. B. atmosphärischer Druck) beginnt die Verdampfung des der oder den Verstärkungsfaser(n) zugeführten Gases unmittelbar nach dem Austritt der Verstärkungsfaser(n) aus dem Abgabestutzen. Insofern ist es günstig, das zu verstärkende Halbzeug unmittelbar hinter einer Abgabestutzenaustrittsöffnung zu positionieren, um die verfestigten Verstärkungsfasern einzutreiben.at one outside the discharge nozzle much lower pressure (eg atmospheric pressure) the evaporation of the gas supplied to the reinforcing fiber (s) begins immediately after the exit of the reinforcing fiber (s) from the dispensing nozzle. In that sense it is favorable that to be reinforced Semi-finished product immediately behind a dispensing nozzle outlet opening position to drive in the consolidated reinforcing fibers.
Eine Verstärkungsfaser oder ein aus mehreren solchen Fasern gebildeter Verstärkungsfaden kann z. B. als Endlosmaterial bereitgestellt und vor oder nach der mechanischen Stabilisierung durch das verflüssigte Gas, und vor oder nach dem Eintreiben in das textile Halbzeug, in einzelne Abschnitte konfektioniert werden. Die Länge der einzelnen Verstärkungsfaserabschnitte kann hierbei z. B. an die gewünschte Eindringtiefe bzw. die Dicke des textilen Halbzeugs angepasst gewählt werden.A reinforcing fiber or a reinforcing thread formed of a plurality of such fibers z. B. provided as a continuous material and before or after the mechanical Stabilization by the liquefied Gas, and before or after driving into the semifinished textile product, in individual sections are made up. The length of the individual reinforcing fiber sections can hereby z. B. to the desired Penetration depth or the thickness of the textile semifinished product to be selected adjusted.
Bei Verwendung einer vorstehend erwähnten "Verstärkungsfaserdüse" kann dieser Düse ein Endlosmaterial (z. B. Filament) zugeführt werden, welches innerhalb der Düse mit dem verflüssigten Gas in Kontakt gebracht wird und welches nach dem Eintreiben in das textile Halbzeug im Bereich zwischen der Düsenaustrittsöffnung und dem Halbzeug, insbesondere z. B. unmittelbar benachbart der Düsenaustrittsöffnung und/oder unmittelbar benachbart der Oberfläche des Halbzeugs, durch Abschneiden konfektioniert wird.at Using a "reinforcing fiber nozzle" mentioned above, this nozzle can be a continuous material (eg filament) supplied which is inside the nozzle with the liquefied gas is brought into contact and which after driving into the textile semi-finished product in the region between the nozzle outlet opening and the semifinished product, in particular z. B. immediately adjacent the nozzle outlet opening and / or immediately adjacent to the surface of the semifinished product, assembled by cutting becomes.
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das textile Halbzeug aus wenigstens einer flächig ausgedehnten
Faserwerkstofflage mit in einer Lagenebene liegenden Fasern gebildet
ist und die Verstärkungsfasern
im Wesentlichen orthogonal zur Lagenebene eingetrieben werden. In
diesem Fall kann also insbesondere die Z-Richtung als Verstärkungsrichtung
vorgesehen werden, wie dies zumeist vorteilhaft und an sich aus
dem eingangs erwähnten Stand
der Technik gemäß der
Bei dem textilen Halbzeug handelt es sich in einer bevorzugten Ausführungsform um eine Preform, die im Rahmen der Herstellung eines Faserverbundbauteils noch in eine Endkontur gebracht wird. In an sich bekannter Weise kann ein solches Halbzeug bzw. eine Preform Bindemittel und/oder ein teilausgehärtetes Matrixmaterial enthalten, noch bevor die Verstärkungsfasern gemäß der Erfindung eingebracht werden. In einer anderen Ausführungsform wird das textile Halbzeug zunächst durch die Verstärkungsfasern verstärkt und erst anschließend mit dem betreffenden Matrixmaterial (z. B. Harzmatrix) infiltriert, und ausgehärtet.at the textile semifinished product is in a preferred embodiment to a preform, in the context of the production of a fiber composite component is still brought into a final contour. In a known manner Such a semi-finished product or a preform binder and / or a partially cured Matrix material even before the reinforcing fibers according to the invention be introduced. In another embodiment, the textile Semifinished product first through the reinforcing fibers reinforced and only afterwards infiltrated with the relevant matrix material (eg resin matrix), and cured.
Die Art, Anzahl und technische Realisierung von Infiltrationsschritten und Vorkompaktierungs- bzw. Kompaktierungsschritten bei der Herstellung des Faserver bundbauteils sind im Rahmen der Erfindung von nachrangiger Bedeutung und können weitreichend modifiziert werden. Dasselbe gilt für den Lagenaufbau eines mehrlagigen Halbzeugs (z. B. mehrere Faserwerkstofflagen mit voneinander verschiedenen Faserrichtungen) sowie die verwendeten Materialien für die Fasern und Verstärkungsfasern (z. B. Kohlenstofffasern, Naturfasern etc.) sowie der Matrix (z. B. Kunstharze, elastomere Kunststoffe, Thermoplase etc.).The Type, number and technical realization of infiltration steps and precompacting or compaction steps in the manufacture of the Faserver bundbauteils are subordinated in the invention Meaning and can be extensively modified. The same applies to the layer structure of a multilayer Semi-finished product (eg several fiber material layers with different from each other Fiber directions) as well as the materials used for the fibers and reinforcing fibers (eg, carbon fibers, natural fibers, etc.) as well as the matrix (e.g. As synthetic resins, elastomeric plastics, thermoplastics, etc.).
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich beispielsweise zur Herstellung von Strukturbauteilen oder Beschlägen im Flugzeugbau.The inventive method is suitable, for example, for the production of structural components or fittings in the aircraft industry.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben. In dieser Zeichnung zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu:The Invention will be described below with reference to an embodiment with reference to the enclosed Drawing further described. In this drawing shows schematically and not to scale:
In
an sich bekannter Weise besteht das Halbzeug
Kernstück des Systems
ist ein Abgabestutzen bzw. Düsenkörper
Die
Verstärkungsfaser
Der
Faserkanal
Das
innere Düsenteil
Wenn
das Material der Verstärkungsfaser
Das
erstarrte Fasermaterial bildet in diesem Zustand eine "Verstärkungsfasernadel", die in das textile
Halbzeug
Zur
Konfektionierung der als Endlosmaterial zugeführten Verstärkungsfaser
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem textilen Halbzeug
Die
Einbringung der einzelnen mechanisch stabilisierten Faserabschnitte
erfolgt in Zyklen: In einem ersten Schritt wird eine vorbestimmte
Länge der Faser
In
einer Variante eines solchen zyklischen Betriebs, der ebenfalls
automatisiert sein kann, erfolgt der Vorschub der Verstärkungsfaser
Beiden
Betriebsvarianten gemeinsam ist, dass immer nach einer Relativverschiebung
zwischen Düsenkörper
Die
Verwendung des schematisch gezeichneten Düsenkörpers
Insbesondere
ist es auch möglich,
einen Düsenkörper
Auch
kann das Material der Verstärkungsfaser
Schließlich kann auch eine Faserabgabeeinrichtung mit mehreren Austrittsöffnungen zum gleichzeitigen Abgeben bzw. Eintreiben von mehreren Verstärkungsgebilden in das textile Halbzeug vorgesehen sein. Eine solche Abgabeeinrichtung kann z. B. eine baulich zusammengefasste Vielzahl von Abgabestutzen der oben beschriebenen Art aufweisen, wobei die einzelnen Abgabestutzen z. B. über eine gemeinsame Flüssiggaszufuhr versorgt werden können.Finally, can also a fiber delivery device with a plurality of outlet openings for simultaneous dispensing or driving in of multiple reinforcing structures be provided in the textile semi-finished product. Such a dispenser can z. B. a structurally combined plurality of dispensing nozzles of the type described above, wherein the individual dispensing nozzles z. B. over a common LPG supply can be supplied.
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