DE102006025753B4 - Method for introducing reinforcing fibers into a semifinished textile product, semi-finished textile product with incorporated reinforcing fibers, and fiber composite component - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Einbringen von Verstärkungsfasern (10) in ein textiles Halbzeug (12) zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (10) in einem mechanisch stabilisierten Zustand in das textile Halbzeug (12) getrieben werden, wobei der mechanisch stabilisierte Zustand durch Imprägnieren der Verstärkungsfasern (10) mit einem verflüssigten Gas und nachfolgende Verflüchtigung des Gases geschaffen wird, während welcher Verflüchtigung das Eintreiben der Verstärkungsfasern (10) erfolgt.Method for introducing reinforcing fibers (10) into a textile semifinished product (12) for producing fiber composite components, characterized in that the reinforcing fibers (10) are driven into the textile semifinished product (12) in a mechanically stabilized state, wherein the mechanically stabilized state Impregnating the reinforcing fibers (10) is provided with a liquefied gas and subsequent volatilization of the gas, during which volatilization, the driving of the reinforcing fibers (10).

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Verstärkungsfasern in ein textiles Halbzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein textiles Halbzeug mit eingebrachten Verstärkungsfasern, sowie ein Faserverbundbauteil.The The present invention relates to a method for introducing reinforcing fibers in a textile semi-finished product according to the preamble of claim 1, a semi-finished textile product with incorporated reinforcing fibers, as well as a fiber composite component.

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", needed.

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 mecha nischen Belastungen des Bauteils die Gefahr einer Schichtentrennung (Delaminierung). 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 danger of mecha African loads of the component a delamination. An additional reinforcement in the stacking direction ("Z direction") is therefore desirable.

Aus der DE 196 28 388 A1 ist ein textiles Halbzeug in Form eines mehrlagigen Faservorformlings zur Herstellung von Faserverbundbauteilen bekannt. Bei diesem Halbzeug sind kraftflussgerecht angeordnete Fasern mehrerer Faserwerkstofflagen in X- und Y-Richtung auf einer Trägerlage mittels Sticken in mehreren Lagen übereinander angeordnet. Um am fertigen Faserverbundbauteil eine definierte Verstärkung auch in Richtung der Z-Achse zu erreichen, werden zumindest bereichsweise aus weiteren Fasern gebildete Verstärkungsfäden in Richtung der Z-Achse mittels Sticken angeordnet.From the DE 196 28 388 A1 is a semi-finished textile in the form of a multi-layer fiber preform for the production of fiber composite components known. In this semi-finished product, fibers of several fiber material layers arranged in the direction of flow are arranged one above the other in the X and Y directions on a carrier layer by means of embroidering in a plurality of layers. In order to achieve a defined reinforcement in the direction of the Z axis on the finished fiber composite component, reinforcing fibers formed at least in regions from further fibers are arranged in the direction of the Z axis by means of embroidering.

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 Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, 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 method according to the preamble of claim 1, for introducing reinforcing fibers into a textile semifinished product is known from WO 03/011576 A1 known. In this method, the semi-finished product is first pierced from one side by a rotating pathway ("pathway deposition probe") and inserted a reinforcing fiber in the channel created by the needle in the semifinished product when retracting the needle from the other side.

Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren vor allem wieder die Schädigung des Halbzeugs durch eine im Vergleich zum Durchmesser der einzubringenden Verstärkungsfaser relativ dick bemessener 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.

Aus dem Fachartikel ”Li, Yuan-Yao et al.: Activation studies of vapor-grown carbon fibers with supercritical fluids. In: Carbon, 2001, Bd. 39, S. 2143–2150” ist eine Vorbehandlung spezieller Kohlenstofffasern bekannt, unter anderem unter Verwendung von superkritischen Fluiden einschließlich superkritischem Kohlendioxid. Die bekannte Vorbehandlung dient zur Verbesserung der Haftung zwischen Faser und Polymermatrix in einem damit herzustellenden Faserverbundwerkstoff.Out the article "Li, Yuan-Yao et al .: Activation studies of vapor-grown carbon fibers with supercritical fluids. In: Carbon, 2001, Bd. 39, pp 2143-2150 "is a Pre-treatment of special carbon fibers known, among others using supercritical fluids including supercritical fluids Carbon dioxide. The known pretreatment serves to improve the adhesion between fiber and polymer matrix in an article to be produced therewith Fiber composite material.

Aus dem Fachartikel ”Zhao, Xi et al.: A new method of producing conductive aramid fibers using supercritical carbon dioxide. In: Surface & Coatings Technology, 2006, Bd. 201, S. 628–636” ist eine Vorbehandlung einer Faser zum Zwecke der Aufbringung einer elektrischen leitfähigen Beschichtung bekannt. Auch diese Vorbehandlung kann unter Verwendung von superkritischem Kohlendioxid erfolgen.Out the article "Zhao, Xi et al .: A novel method of producing conductive aramid fibers using supercritical carbon dioxide. In: Surface & Coatings Technology, 2006, Bd. 201, pp. 628-636 "is a Pretreatment of a fiber for the purpose of applying an electrical conductive Coating known. Again, this pretreatment can be done using made of supercritical carbon dioxide.

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, ein textiles Halbzeug nach Anspruch 7 bzw. ein Faserverbundbauteil nach Anspruch 8. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.These Task is solved by a method according to claim 1, a semi-finished textile according to Claim 7 or a fiber composite component according to claim 8. The dependent claims relate advantageous developments of the invention.

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, a mechanically stabilized "reinforcing fiber needle" is formed, even without prior training of an insertion into the textile semifinished product can be driven or stabbed. In other words, form the reinforcing fibers even 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.

Zur Erzielung einer möglichst effektiven mechanischen Verstärkungswirkung durch die einzubringenden Verstärkungsfasern ist es von Vorteil, dass 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 that the liquefied gas surrounding the reinforcing fibers 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.

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 not is more noticeable. In this regard, becomes a supercritical Gas often 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.

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 a substantially lower pressure (e.g., atmospheric pressure) outside the dispenser nozzle, the vaporization of the gas supplied to the reinforcing fiber (s) begins immediately after the exit of the reinforcing fiber (s) from the dispenser nozzle. In this respect it is favorable to ver Positioning reinforcing semi-finished product immediately behind a dispensing nozzle outlet opening to drive the solidified 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 Ein treiben 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 the drift into the semi-finished textile, 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 Use of an aforementioned "reinforcing fiber nozzle" can this Nozzle 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 DE 196 28 388 A1 sowie der WO 03/011576 A1 bereits bekannt ist. Im Rahmen der Erfindung soll jedoch keineswegs ausgeschlossen sein, dass die Verstärkungsfasern in einer anderen Richtung eingetrieben werden, wie dies z. B. aufgrund der an einem fertigen Faserverbundbauteil zu erwartenden Belastungen sinnvoll sein kann.In one embodiment, it is provided that the textile semifinished product is formed from at least one extensively extended fiber material layer with fibers lying in a layer plane and the reinforcing fibers are driven substantially orthogonal to the layer plane. In this case, therefore, in particular the Z-direction can be provided as a reinforcing direction, as this is usually advantageous and in itself from the above-mentioned prior art according to the DE 196 28 388 A1 as well as the WO 03/011576 A1 already known. In the context of the invention, however, should by no means be ruled out that the reinforcing fibers are driven in a different direction, as z. B. may be useful due to the expected on a finished fiber composite component loads.

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 Mat rixmaterial 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 Mat rixmaterial included, 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 Faserverbundbauteils 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, Thermoplaste etc.).The Type, number and technical realization of infiltration steps and precompacting or compaction steps in the manufacture of the Fiber composite components are in the context of the invention of subordinate 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 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:

1 ein System zum Einbringen von Verstärkungsfasern in ein textiles Halbzeug. 1 a system for introducing reinforcing fibers into a textile semifinished product.

1 veranschaulicht ein ”nadelloses Faserinjektionssystem” zur Einbringung einer Verstärkungsfaser 10 in ein textiles Halbzeug 12 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. 1 illustrates a "needleless fiber injection system" for introducing a reinforcing fiber 10 in a semi-finished textile 12 for producing a fiber composite component.

In an sich bekannter Weise besteht das Halbzeug 12 aus einem mehrlagigen Stapel von Textillagen, in welchen Fasern jeweils in einer Richtung bzw. vorgegebenen Richtungen orientiert sind, die in einer X-Y-Ebene liegt. Die Stapelrichtung des Halbzeugs 12 entspricht der Z-Richtung.In known manner, the semifinished product 12 from a multilayer stack of fabric layers in which fibers are oriented in one direction or predetermined directions, respectively, lying in an XY plane. The stacking direction of the semifinished product 12 corresponds to the Z direction.

Kernstück des Systems ist ein Abgabestutzen bzw. Düsenkörper 14, welcher in der Figur von oben mit einem endlosen Fasermaterial versorgt wird (vgl. Pfeil), welches von einer nicht dargestellten Vorratsrolle abgezogen wird und bei welchem es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um eine einzelne Aramidfaser (Verstärkungsfaser 10) handelt. Alternativ kann anstelle der einzelnen Faser 10 z. B. ein ”Roving” verwendet werden.The core of the system is a dispensing nozzle or nozzle body 14 , which is supplied in the figure from above with an endless fiber material (see arrow), which is withdrawn from a supply roll, not shown, and which in the illustrated embodiment is a single aramid fiber (reinforcing fiber 10 ). Alternatively, instead of the single fiber 10 z. B. a "roving" can be used.

Die Verstärkungsfaser 10 wird durch eine getaktet betriebene (nicht dargestellte) Vorschubeinrichtung von oben in einen zylindrischen Faserkanal 16 des Düsenkörpers 14 zugeführt.The reinforcing fiber 10 is driven by a clocked operated (not shown) feed device from above into a cylindrical fiber channel 16 of the nozzle body 14 fed.

Der Faserkanal 16 besitzt einen Durchmesser, der an den Durchmesser der zugeführten Verstärkungsfaser 10 angepasst ist, und verläuft im dargestellten Ausführungsbeispiel geradlinig durch ein inneres Düsenteil 18 hindurch.The fiber channel 16 has a diameter corresponding to the diameter of the supplied reinforcing fiber 10 is adapted, and runs in the illustrated embodiment in a straight line through an inner nozzle part 18 therethrough.

Das innere Düsenteil 18 ist zumindest am austrittsseitigen (in der Figur unteren) Ende unter Belassung eines Ringspalts 20 von einem äußeren Düsenteil 22 umgeben, dessen unteres Ende eine Düsenaustrittsöffnung zum Austritt der Verstärkungsfaser 10 ausbildet. Der Ringspalt 20 wird über eine oder mehrere Gaszufuhrpassagen 24 mit verflüssigtem Kohlendioxid versorgt, welches im Bereich des Ringspalts 20 in Poren der Verstärkungsfaser 10 eindringt und somit die Verstärkungsfaser 10 unmittelbar vor dem Austritt aus dem Düsenkörper 14 mit flüssigem Kohlendioxid imprägniert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um überkritisches Kohlendioxid mit einer Temperatur von einigen 10°C überhalb Raumtemperatur und einem Druck von etwa 8 bis 10 MPa.The inner nozzle part 18 is at least on the exit side (in the figure lower) end under Be Admission of an annular gap 20 from an outer nozzle part 22 surrounded, the lower end of a nozzle outlet opening for the exit of the reinforcing fiber 10 formed. The annular gap 20 is via one or more gas supply passages 24 supplied with liquefied carbon dioxide, which is in the region of the annular gap 20 in pores of the reinforcing fiber 10 penetrates and thus the reinforcing fiber 10 immediately before exiting the nozzle body 14 impregnated with liquid carbon dioxide. In the illustrated embodiment, this is supercritical carbon dioxide with a temperature of some 10 ° C above room temperature and a pressure of about 8 to 10 MPa.

Wenn das Material der Verstärkungsfaser 10 aus dem Düsenkörper 14 austritt und dort in eine ”atmosphärische Umgebung” (Normalbedingungen) eintritt, so verdampft das Kohlendioxid und lässt das Fasermaterial hierbei zeitweise erstarren.If the material of the reinforcing fiber 10 from the nozzle body 14 exit and there in an "atmospheric environment" (normal conditions) occurs, the carbon dioxide evaporates and allows the fiber material solidify here temporarily.

Das erstarrte Fasermaterial bildet in diesem Zustand eine ”Verstärkungsfasernadel”, die in das textile Halbzeug 12 eingetrieben wird und nach vollständiger Verdampfung des Kohlendioxids als Verstärkungsfaser darin verbleibt.The solidified fiber material forms in this state a "reinforcing fiber needle", which in the textile semifinished product 12 is driven in and remains after complete evaporation of the carbon dioxide as a reinforcing fiber therein.

Zur Konfektionierung der als Endlosmaterial zugeführten Verstärkungsfaser 10 ist eine Schneideinrichtung 26 vorgesehen, mittels welcher nach dem Austritt eines verfestigten Verstärkungsfaserabschnitts aus dem Düsenkörper 14 dieser Abschnitt abgeschnitten wird.For the preparation of the supplied as continuous material reinforcing fiber 10 is a cutting device 26 provided by means of which after the exit of a solidified reinforcing fiber portion of the nozzle body 14 this section is cut off.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem textilen Halbzeug 12 um einen vorkompaktierten Stapel aus mehreren Faserwerkstofflagen in der X-Y-Ebene, welche die Erstreckungsebene des Lagenstapels bildet. Die Verstärkungsfaser 10 wird demgegenüber orthogonal zu dieser Halbzeugebene, d. h. in Z-Richtung in das Halbzeug 12 eingestochen.In the illustrated embodiment, it is in the semi-finished textile 12 around a precompacted stack of multiple fiber material layers in the XY plane, which forms the plane of extent of the layer stack. The reinforcing fiber 10 is in contrast orthogonal to this semi-finished product, ie in the Z-direction in the semifinished product 12 stabbed.

Die Einbringung der einzelnen mechanisch stabilisierten Faserabschnitte erfolgt in Zyklen: In einem ersten Schritt wird eine vorbestimmte Länge der Faser 10 mittels der Vorschubeinrichtung durch den Faserkanal 16 des Düsenkörpers 14 getrieben, so dass ein aus dem Düsenkörper 14 austretender Faserabschnitt in das Halbzeug 12 eingestochen wird. In einem zweiten Schritt wird der Vorschub der Faser 10 kurz gestoppt, die Schneideinrichtung 26 zum Abschneiden des bereits eingetriebenen Faserabschnitts betätigt und der Düsenkörper 14 ein Stück weit in X- und/oder Y-Richtung bewegt. Diese Schritte können bevorzugt vollkommen automatisiert, insbesondere in programmgesteuerter Weise wiederholt ausgeführt werden.The introduction of the individual mechanically stabilized fiber sections takes place in cycles: in a first step, a predetermined length of the fiber 10 by means of the feed device through the fiber channel 16 of the nozzle body 14 driven so that one out of the nozzle body 14 emerging fiber section in the semifinished product 12 is stabbed. In a second step, the feed of the fiber 10 briefly stopped, the cutting device 26 operated to cut the already driven fiber portion and the nozzle body 14 moved a bit in the X and / or Y direction. These steps can preferably be carried out completely automatically, in particular in a program-controlled manner repeatedly.

In einer Variante eines solchen zyklischen Betriebs, der ebenfalls automatisiert sein kann, erfolgt der Vorschub der Verstärkungsfaser 10 durch den Düsenkörper 14 selbst, der zu diesem Zweck in einem ersten Schritt aus der in 1 dargestellten Position mittels eines geeigneten Antriebs (nicht dargestellt) in Z-Richtung nach unten bewegt wird und hierbei den erstarrten Faserabschnitt in das Textil 12 hineinschiebt. Während dieser Abwärtsbewegung des Düsenkörpers 14 wird die Verstärkungsfaser 10 durch eine (nicht dargestellte) Klemmeinrichtung relativ zum Düsenkörper 14 fixiert. Sodann wird in einem zweiten Schritt die mit dem Düsenkörper 14 nach unten mitbewegte Schneideinrichtung 26 zum Abschneiden der Verstärkungsfaser 10 betätigt, der Düsenkörper 14 samt Schneideinrichtung wieder nach oben in die Position gemäß 1 zurückbewegt und ein Stück weit in der X-Y-Ebene bewegt. Schließlich wird in einem dritten Schritt die Klemmeinrichtung gelöst und ein Abschnitt der Verstärkungsfaser 10 mit vorgegebener Länge mittels der Vorschubeinrichtung aus dem Düsenkörper 14 nach unten herausgeschoben.In a variant of such a cyclic operation, which may also be automated, the advancement of the amplification fiber 10 through the nozzle body 14 himself, for this purpose, in a first step out of the in 1 shown position by means of a suitable drive (not shown) is moved in the Z direction down and this case the solidified fiber portion in the textile 12 pushes. During this downward movement of the nozzle body 14 becomes the reinforcing fiber 10 by a (not shown) clamping device relative to the nozzle body 14 fixed. Then in a second step with the nozzle body 14 down with moving cutter 26 for cutting off the reinforcing fiber 10 pressed, the nozzle body 14 together with the cutting device back up to the position according to 1 moved back and moved a little way in the XY plane. Finally, in a third step, the clamping device is released and a portion of the reinforcing fiber 10 with a predetermined length by means of the feed device from the nozzle body 14 pushed out to the bottom.

Beiden Betriebsvarianten gemeinsam ist, dass immer nach einer Relativverschiebung zwischen Düsenkörper 14 und textilem Halbzeug 12 in der X-Y-Ebene der Einstechschritt in Z-Richtung wiederholt wird. Bei jedem Betriebszyklus wird ein verfestigter Verstärkungsfaserabschnitt in das Material 12 getrieben. Dies wird solange wiederholt, bis die gewünschte Anzahl und Anordnung von Verstärkungsfaserabschnitten eingebracht wurde.Common to both operating variants is that always after a relative displacement between the nozzle body 14 and semi-finished textile 12 in the XY plane, the plunge step in the Z direction is repeated. At each cycle of operation, a consolidated reinforcing fiber section is incorporated into the material 12 driven. This is repeated until the desired number and arrangement of reinforcing fiber sections has been introduced.

Die Verwendung des schematisch gezeichneten Düsenkörpers 14 zum Eintreiben des Verstärkungsfaserabschnitts ist selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen und kann in der Praxis weitreichend modifiziert werden.The use of the schematically drawn nozzle body 14 for driving the reinforcing fiber section is of course to be understood only as an example and can be widely modified in practice.

Insbesondere ist es auch möglich, einen Düsenkörper 14 samt Schneideinrichtung 26 der dargestellten Art lediglich zum Verfestigen und Konfektionieren der Verstärkungsfaser 10 zu verwenden und eine nachgeordnete Einrichtung zum Eintreiben des damit bereitgestellten Verstärkungsfaserabschnitts in das Halbzeug 12 vorzusehen.In particular, it is also possible for a nozzle body 14 including cutting device 26 the illustrated type only for solidifying and making up the reinforcing fiber 10 and a downstream means for driving the reinforcing fiber section provided therewith into the semifinished product 12 provided.

Auch kann das Material der Verstärkungsfaser 10 in axialer Richtung (Z-Richtung) betrachtet über einen größeren Bereich als in 1 dargestellt innerhalb des Düsenkörpers 14 mit dem verflüssigten Gas in Kontakt gebracht werden, der z. B. wenigstens so lang wie die pro Einstechzyklus eingetriebene Verstärkungsfaserlänge sein kann.Also, the material of the reinforcing fiber 10 viewed in the axial direction (Z direction) over a larger area than in 1 represented within the nozzle body 14 be brought into contact with the liquefied gas, the z. B. at least as long as the driven per piercing cycle reinforcing fiber length can be.

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, a fiber delivery device with a plurality of outlet openings for the simultaneous dispensing or driving of a plurality of reinforcing structures may be provided in the textile semifinished product. Such a dispenser may, for. B. a structurally combined plurality of dispensing nozzles of the type described above, wherein the individual dispensing nozzle z. B. can be supplied via a common LPG supply.

Claims (8)

Verfahren zum Einbringen von Verstärkungsfasern (10) in ein textiles Halbzeug (12) zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (10) in einem mechanisch stabilisierten Zustand in das textile Halbzeug (12) getrieben werden, wobei der mechanisch stabilisierte Zustand durch Imprägnieren der Verstärkungsfasern (10) mit einem verflüssigten Gas und nachfolgende Verflüchtigung des Gases geschaffen wird, während welcher Verflüchtigung das Eintreiben der Verstärkungsfasern (10) erfolgt.Process for introducing reinforcing fibers ( 10 ) into a semi-finished textile product ( 12 ) for the production of fiber composite components, characterized in that the reinforcing fibers ( 10 ) in a mechanically stabilized state in the textile semifinished product ( 12 ), wherein the mechanically stabilized state by impregnating the reinforcing fibers ( 10 ) with a liquefied gas and subsequent volatilization of the gas, during which volatilization the driving-in of the reinforcing fibers ( 10 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als das verflüssigte Gas verflüssigtes Kohlendioxid verwendet wird.The method of claim 1, wherein as the liquefied gas liquefied Carbon dioxide is used. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das verflüssigte Gas in einem überkritischen Zustand in die Verstärkungsfasern (10) eindringen gelassen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the liquefied gas in a supercritical state in the reinforcing fibers ( 10 ) is allowed to penetrate. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungsfasern (10) in Form eines Rovings verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the reinforcing fibers ( 10 ) are used in the form of a roving. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das verflüssigte Gas unter erhöhtem Druck in einem Abgabestutzen (14) bereitgestellt wird, aus welchem eine oder mehrere Verstärkungsfasern (10) heraus in das textile Halbzeug (12) hineingetrieben werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the liquefied gas under elevated pressure in a dispensing nozzle ( 14 ), from which one or more reinforcing fibers ( 10 ) out into the semi-finished textile ( 12 ) are driven. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das textile Halbzeug (12) aus wenigstens einer flächig ausgedehnten Faserwerkstofflage mit in einer Lagenebene (X-Y) liegenden Fasern gebildet ist und die Verstärkungsfasern (10) im Wesentlichen orthogonal (Z) zur Lagenebene (X-Y) eingetrieben werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the semi-finished textile product ( 12 ) is formed from at least one extensively expanded fiber material layer with fibers lying in one layer plane (XY) and the reinforcing fibers ( 10 ) are driven substantially orthogonal (Z) to the plane of the layer (XY). Textiles Halbzeug (12) mit gemäß eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingebrachten Verstärkungsfasern (10).Textile semi-finished product ( 12 ) with reinforcing fibers incorporated according to a method according to one of claims 1 to 6 ( 10 ). Faserverbundbauteil, hergestellt mittels eines textilen Halbzeugs (12) nach Anspruch 7.Fiber composite component, produced by means of a textile semifinished product ( 12 ) according to claim 7.
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