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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung
einer multiaxialen Gelegebahn, in welchem ein Gelege durch Wickeln
um eine Ebene zu einem multiaxialen Gelege umgeformt wird und eine
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Langfaserverstärkte Faserverbundbauteile sind
ein wichtiges Anwendungsgebiet für
technische Textilien. Aufbau und Struktur des Verstärkungstextiles
bestimmen im Zusammenspiel mit der Herstellungstechnologie sowie
dem verwendeten Matrixmaterial maßgeblich die Eigenschaft des
späteren
Verbundbauteils. Multiaxiale Gelege, auch MD- oder multidirektionale
Gelege genannt, spielen dabei eine besondere Rolle, denn sie erlauben
im Vergleich zu anderen Textilien Flächenkonstruktionen, die eine höhere Ausnutzung
der spezifischen Eigenschaften der verwendeten Fasern bei gleichzeitiger
Reduzierung der Herstellungs- und damit Bauteilkosten bieten.
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Zur
Herstellung von multiaxialen Gelegen wird auf verschiedene Techniken
zurückgegriffen. Eine
naheliegende Technologie ist der Rückgriff auf ein webähnliches
Verfahren, in dem ein Schussfaden unter einem Winkel zur Erstreckungsrichtung
der Gelegebahn gelegt wird. Dieses Verfahren ist jedoch langsam
und erlaubt bei den feinen Fasern eine nur geringe Herstellungsgeschwindigkeit.
Wesentlich schneller zur Herstellung hat sich ein Verfahren herausgestellt,
in welchem uniaxiale Gelege, auch UD oder unidirektionale Gelege
genannt, durch Wickeln um eine Ebene zu einem multiaxialen Gelege
umgeformt werden.
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In
der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 000 115 A1 wird ein Verfahren
zur Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn offenbart, wobei
in diesem Verfahren um ein Gelege, dessen Fasern in Erstreckungsrichtung
der Gelegebahn ausgerichtet sind, zwei weitere Bahnen mit einem
Winkel zur Erstreckungsrichtung gewickelt werden, wobei ein multiaxiales
Gelege entsteht. Dieses multiaxiale Gelege weist somit mindestens
drei Schichten auf. Diese sind die beiden gegenüber liegenden Schichten des unter
einem Winkel gewickelten Geleges und die sogenannte Null-Grad-Bahn,
welche Fasern in Erstreckungsrichtung der Gelegebahn aufweist. Ein
derartiges Gelege weist zwar die positiven Eigenschaften in Bezug
auf Zugfestigkeit auf, jedoch ist dieses Gelege schwer, da eine
unnötig
hohe Anzahl von Gelegen verwendet werden muss, um das entsprechende Gelege
herzustellen.
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Zum
Verzicht auf die mittlere Null-Grad-Gelegebahn wird daher in der
japanischen Patentanmeldung
JP 2003 221771A ein Verfahren zur Herstellung
einer multiaxialen Gelegebahn offenbart, in welchem ausschließlich die
unter einem Winkel gewickelten Gelegebahnen um zwei etwa handbreite Bänder gewickelt
werden, die in dem Gelege verbleiben. Durch dieses Verfahren entsteht
ein multiaxiales Gelege, welches verstärkte Ränder aufweist. Die verstärkten Ränder haben
einerseits den Vorteil, dass hierdurch das Gelege gerade an den
Rändern
eine hohe Zähigkeit
oder eine hohe Stabilität
aufweist, auf der anderen Seite hat dieses Gelege den Nachteil, dass
durch die an den Rändern
erhöhe
Stärke
des Materials das Material nicht stabil auf eine Rolle gewickelt
werden kann und andererseits ist es hierdurch nicht möglich, gleichmäßige Schichtdicken
eines faserverstärkten
Kunststoffes aufzubauen, da die seitlichen Bänder das Gelege unnötig in seiner Stärke erhöhen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines
multiaxialen Geleges zur Verfügung
zu stellen, welches die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird gelöst durch
die Verwendung von Spannelementen als Begrenzung der Ebene, um welche
das unidirektionale Gelege gewickelt wird, wobei die Spannelemente nach
Wicklung der so hergestellten Gelegebahn entfernbar oder abtrennbar
sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Gegenüber dem
Verfahren, das in der
JP 2003
221771A offenbart ist, wird erfindungsgemäß ein Paar
von zugfesten Spannelementen verwendet, welche als Wickelebene für die schräg zur Erstreckungsrichtung
des Geleges angeordneten Gelegebahnen dienen. Hierdurch entsteht
eine multiaxiale Gelegebahn, welche zunächst nur locker aneinander haftet,
und nach Aufwicklung durch zwei Kalandrierwalzen gezogen wird. In
den Kalandrierwalzen sind entsprechende Vertiefungen eingebracht,
in welchen die Spannelemente laufen, sodass der Abstand der Kalandrierwalzen
unabhängig
von den Abmessungen der Spannelemente gewählt werden kann. Der Kalandrierer
fügt die
Gelegebahnen so fest zusammen, dass diese gegebenenfalls unter Verwendung von
Binde- oder Klebemittel ein festes multiaxiales Gelege bilden. Zusätzlich besteht
die Möglichkeit
das Gelege zusammen oder ohne Spannelemente einem Imprägnierverfahren
oder Fixierverfahren zu unterziehen, damit das Gelege zur weiteren
Verarbeitung aufwickelbar und wesentlich leichter handhabbar ist. Unmittelbar
nach Kalandrierung oder Imprägnierung kann
durch einen randseitigen Schnitt die multiaxiale Gelegebahn von
den Spannelementen getrennt werden. Bei diesem Schnitt werden die
entfernten Spannelemente entweder auf einer weiteren Trommel aufgewickelt,
wobei die Spannelemente optional vor Aufwicklung noch von an den
Spannelementen haftenden Fasern befreit werden können. Es ist aber ebenso möglich, die
Spannelemente statt Aufwicklung wieder in den Prozess zurückzuführen, sodass die
Spannelemente in einer Endlosschleife geführt werden. Ferner ist es möglich, die
Spannelemente aufzuwickeln und nachdem die Gelegebahnen, aus denen
das multiaxiale Gelege erstellt wird, abgewickelt wurden, können die
aufgewickelte Spannelemente wieder in den Prozess zurückgeführt werden, indem
diese auf einer Abwickelrolle dem Produktionsprozess wieder zugeführt werden.
Ferner besteht die Möglichkeit,
anstelle des Abtrennen die Spannelemente aus dem Gelege bei der
weiteren Verarbeitung herauszuziehen, sofern sichergestellt wurde, dass
keine Anhaftung des Geleges an den Spannelementen erfolgt.
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Zur
Durchführung
des Verfahrens gibt es prinzipiell zwei verschiedene Möglichkeiten.
In einer ersten Möglichkeit
werden in dem Verfahren zwei Rollen, auf denen unidirektionale Gelege
aus Fasermaterialien vorgehalten werden, verwendet. Diese Rollen
liegen auf einer starren Achse vor. Die Rollen, von denen das unidirektionale
Gelege entnommen wird, sind dabei gegenüber angeordnet und zwischen
den Rollen ist eine Anordnung aufgebaut, in welcher die beiden Spannelemente,
die als Begrenzung einer Wickelebene für das unidirektionale Gelege
dienen, abgewickelt und durch zwei Kalandrierwalzen geführt werden.
Dabei können
die Spannelemente vor Kalandrierung entfernt werden, wobei die Kalandrierwalzen
dem Gelege die nötige
mechanische Spannung verleihen. Alternativ können die Spannelemente nach
der Kalandrierung entfernt werden. Die beiden Spannelemente werden
dann um eine mittig und parallel zu den beiden Spannelementen liegende
Achse gedreht und wickeln so von den Rollen, die das uniaxiale Gelege
zur Verfügung
stellen, das uniaxiale Gelege ab und wickeln es um die Ebene, die
durch die beiden Spannelemente aufgespannt wird. Mit der Ebene,
die sich mit den beiden Spannelementen dreht, dreht sich auch ein
Paar von Kalandrierwalzen und in der Nähe der Kalandrierwalzen befinden
sich ebenfalls mitdrehende Vorrichtungen, welche vor oder nach Kalandrierung
beispielweise durch einen Schnitt die Spannelemente vom Rand des
multiaxialen Geleges entfernen. Dabei werden die Spannelemente parallel
zum multiaxialen Gelege aufgewickelt oder wieder in den Prozess
zurückgeführt. Ein
optionaler Schritt ist die Reinigung der abgeschnittenen Spannelemente
von verbleibenden Faser- und Bindemittelresten. Da durch den Schnitt
seitlich offene Fasern in dem multiaxialen Gelege entstehen, hat
es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Seitenränder des
multiaxialen Geleges durch eine entsprechende Vorrichtung versäumt werden,
sodass das Gelege nicht dazu neigt, gegebenenfalls an den Seiten
auszufransen, womit das multiaxiale Gelege schlechter zu verarbeiten
wäre.
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In
einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es auch möglich,
dass die gesamte Vorrichtung, in welcher die Spannelemente ab- und
wieder aufgewickelt werden, die Kalandrierwalzenpaare und die Schnitt-
und Versäumvorrichtung
stationär
gehalten werden, während
die beiden Rollen mit dem undirektionalen Gelege um die Ebene der
Spannelemente gewickelt werden.
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In
beiden Ausführungsvarianten
existiert eine Relativbewegung der Ebene, die durch die Spannelemente
aufgespannt wird, gegenüber
dem Material mit dem uniaxialen Gelege, das auf den Rollen vorgehalten
und auf die Ebene gewickelt wird.
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Um
den Wickelvorgang zu stabilisieren, ist vorgesehen, dass in einer
bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Spannelemente aufgeraut sind oder dass die Spannelemente mit
einem Binde- oder Klebemitte versehen sind. Das Aufrauen der Spannelemente
beziehungsweise die Bindemittel oder die Klebemittelbeschichtung
der Spannelemente hat zur Folge, dass die Spannelemente das Gelege,
aus denen das multiaxiale Gelege erstellt wird, sicherer greifen,
was zur Folge hat, dass das so entstehende Gelege gleichmäßiger geformt
ist und das abgewickelte unidirektionale Gelege nicht dazu neigt,
noch während
des Kalandriervorganges und des anschließenden Abtrennungsvorganges
zu verrutschen. Dabei kann in einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch ein Gelege verwendet werden, welches geringfügig Bindemittel
aufweist, sodass die ineinander gewickelten uniaxialen Gelege aneinander haften
und eine stabilere Gelegebahn entsteht. Dabei ist es auch möglich, dass
als Ausgangsmaterial ein so genanntes Prepreg benutzt wird, in welchen die
Fasern bereits mit einem noch nicht abgebundenen Bindemittel oder
mit einem nicht polymerisierten Klebemittel versehen sind, das in
einem optional späteren
Vorgang optional ausgehärtet
werden kann. Darüber
hinaus ist es auch möglich,
ein Haftfadengitter zur Stabilisierung der Gelegebahnen zu verwenden,
das zwischen den Spannelementen abgewickelt und geführt wird
und die Bahnen miteinander verbindet.
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Eine
so hergestellte multiaxiale Gelegebahn kann aus verschiedenen Fasermaterialien
hergestellt werden. Es ist möglich,
gebundene Textilien als Ausgangsmaterial für die multiaxiale Gelegebahn
zu verwenden, es können
Gewebe verwendet werden, Gewirke, aber auch Vliese oder uni- oder
multidirektional angeordnete Einzelfasern, Rovings, Fäden oder Faserschichten.
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Das
Material, aus denen die Fasern bestehen, kann Glas, Kohle oder Aramidfasern
sein, alternativ können
Naturfasern, wie Flachs, Jute oder Sisal verwendet werden. Es ist
auch möglich,
dass Kunststofffasern verwendet werden, wie Polypropylen, PBO, Polyester
oder Polyethylen.
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Die
verwendeten Spannelemente können aus
Drähten
oder Bändern
bestehen, die gegebenenfalls aus Metall gefertigt sind. Alternativ
besteht die Möglichkeit
Kunststoff zu verwenden, wobei vorzugsweise das Gelegematerial zum
Einsatz kommt, sodass ferner die Möglichkeit besteht das fertiggestellte
Gelege zusammen mit den Spannelementen dem weiteren Produktionsprozess
zuzuführen.
In diesem Falle brauchen selbstverständlich die Spannelemente nicht
von dem Gelege getrennt zu werden.
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Zur
Durchführung
des Verfahrens ist eine Vorrichtung vorgesehen, die zumindest eine
Wickelrolle für
Fasermaterial, eine Kalendrier- und gegebenenfalls eine Abtrenneinheit
sowie Rollen zur Auf- und Abwickelung der Spannelemente vorsieht,
wobei die Spannelemente parallel gespannt von Rollen abgewickelt
und dadurch in eine Ebene gehalten werden, die die Ebene zum Umwickeln
des Geleges aufspannt. Zusätzlich
kann diese Vorrichtung mit einer Abtrenneinheit verbunden werden,
sodass die Spannelemente bereits kurz nach dem Wickelprozess entfernt
werden können.
Alternativ besteht die Möglichkeit,
dass das Gelege zusammen mit den Spannelementen durch eine Imprägniereinheit
geführt
wird, sodass nach erfolgter Aushärtung
ein flexibles aber in sich stabiles Gelege hergestellt wird. Spätestens nach
der Imprägniereinheit
können
die Spannelemente entfernt werden oder, für den Fall dass diese selbst
aus Gelegematerial bestehen, in dem Gelege verbleiben.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden Figur näher erläutert.
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Es
zeigt
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1 eine
Skizze der wesentlichen Elemente zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist
eine Wickelvorrichtung 1 abgebildet, die zum Verfahren
zur kontinuierlichen Herstellung einer multiaxialen Gelegebahn verwendet
werden kann. In der Wickelvorrichtung 1 befinden sich zwei
Wickelrollen 2 und 3, von denen Fasermaterial 4 abgewickelt
und zu dem multiaxialen Gelege 5 umgeformt wird. Dabei
sind die Wickelrollen 2 und 3 stationär angeordnet,
das bedeutet, dass diese sich im Raum nicht bewegen, außer dass
sie um die eigene Achse rotieren, damit das Fasermaterial 4 abgewickelt
werden kann. Parallel zur Erstreckung des multiaxialen Geleges 5 sind
in der Wickelvorrichtung 1 zwei Spannelemente 6 und 7 gespannt,
die von Rollen 8 und 9 abgewickelt werden und
als Begrenzung einer Ebene dienen, die durch die beiden Spannelemente 6 und 7 aufgespannt
wird. Durch eine synchrone Drehung der Rollen 8, 9,
einer Kalandrier- und Abtrenneinheit 10 und der Aufwickeleinheit 11 drehen sich
die Spannelemente 6 und 7 um eine Achse, die parallel
und mittig zu den beiden Spannelementen 6 und 7 verläuft.
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In
der vorliegenden Abbildung greift Spannelement 6 von hinten
an das Gelege, das von der Wickelrolle 2 abgewickelt wird
und das Spannelement 7 greift von vorne auf das Gelege,
das von der Wickelrolle 3 abgewickelt wird. Hierdurch wird
das Gelege um die Ebene gewickelt, die durch die Spannelemente 6 und 7 aufgespannt
wird. Dabei wird das Fasermaterial 4 zu einem multiaxialen
Gelege 5 umgeformt. Kurz vor Eintritt des multiaxialen
Geleges 5 in die Kalandrier- und Abtrenneinheit 10,
ist das muliaxiale Gelege noch nicht verfestigt. Nach Durchtritt durch
die Kalandrier- und Abtrenneinheit 10, wobei die Kalandrier-
und Abtrenneinheit 10 zwei Walzen 12 und 13 aufweist,
durch die das multiaxiale Gelege 5 hindurch gezogen wird,
ist das multiaxiale Gelege 5 verfestigt. In den Walzen 12 und 13 befinden
sich radiale Nuten 14, 15, 16 und 17,
welche die Spannelemente 6 und 7 aufnehmen. Wie
im vorliegenden Beispiel können
unmittelbar nach der Kalandrierung hinter dem Ausgang der beiden
Walzen 12 und 13 Messer angeordnet sein, die das
multiaxiale Gelege 5 nach Austritt aus der Kalandrier- und Abtrenneinheit 10 mit
einem Schnitt an den seitlichen Rändern von den Spannelementen 6 und 7 befreien.
Es ist aber auch möglich,
die Spannelemente vor der Kalandrierung zu entfernen und das Gelege
spannelementefrei in den Kalander zu führen.
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In
der vorliegenden beispielhaften Wickelvorrichtung 1 werden
sodann die Spannelemente 6 und 7 auf Rollen 18 und 19 aufgewickelt,
und in dieser Abbildung werden die Spannelemente 6 und 7 nicht
in das Verfahren zurückgeführt. Es
ist aber auch möglich,
die Spannelemente 6 und 7 endlos in das Verfahren
zurückzuführen. Das
multiaxiale Gelege 5 wird nach Kalandrierung zu dem multiaxialen
Gelege 20, das sodann auf einer Rolle 21 aufgewickelt
wird. Sowohl die Rollen 8 und 9, die Kalandrier- und Abtrenneinheit 10 und
die Rollen 18, 19 und 21 rotieren synchron,
aber es ist auch möglich,
dass die Rollen 8, 9, die Kalandrier- und Abtrenneinheit 10 sowie
die Rollen 18, 19 und 21 stationär gehalten
werden und sich die Wickelrollen 2 und 3 um die
Achse der Wickelvorrichtung 1 drehen, wobei das Fasermaterial 4 von
den Wickelrollen 2 und 3 zu dem multiaxialen Gelege 5 umgeformt
wird, wobei durch die Kraft der Rolle 21 und die Kraft
der Walzen 12 und 13 das multiaxiale Gelege 5 kontinuierlich
nach unten gezogen wird und das Fasermaterial 4 von den
Wickelrollen 2 und 3 zieht.
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- 1
- Wickelvorrichtung
- 2
- Wickelrolle
- 3
- Wickelrolle
- 4
- Fasermaterial
- 5
- Gelege
- 6
- Spannelement
- 7
- Spannelement
- 8
- Rolle
- 9
- Rolle
- 10
- Kalandrier-
und Abtrenneinheit
- 11
- Aufwickeleinheit
- 12
- Walze
- 13
- Walze
- 14
- Nut
- 15
- Nut
- 16
- Nut
- 17
- Nut
- 18
- Rolle
- 19
- Rolle
- 20
- Gelege
- 21
- Rolle