DE102010064446A1

DE102010064446A1 - Verfahren zum Herstellen eines textilen Halbzeugs, textiles Halbzeug, Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffes und Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102010064446A1
Application number: DE102010064446A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-07-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs (40) mit verbesserter Drapierbarkeit. Kern ist dabei, dass zunächst unter Verwendung eines Fasermaterials (20) mit Fasern (21) ein Gelege (31), Gewebe (31) oder dergleichen als faserbasiertes textiles Halbzeugzwischenstadium (30) ausgebildet und dann nachfolgend mit einer Mehrzahl von Perforationen (25) versehen wird, durch welche die Fasern (21) einzeln, gruppen- oder bündelweise quer zu ihrer jeweiligen Fasererstreckungsrichtung teilweise oder vollständig durchtrennt werden, um dadurch so genannte Längenausgleichszonen zu erzeugen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines textilen Halbzeugs, ein textiles Halbzeug selbst, ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs und einen Faserverbundwerkstoff selbst.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch textile Halbzeuge mit verbesserter Drapierbarkeit zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen sowie entsprechende Herstellungsverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Textile Halbzeuge auf der Grundlage von Fasermaterialien mit ein oder mehr Fasertypen werden in vielen technischen Bereichen und Herstellungsverfahren zur Ausgestaltung von Werkstücken eingesetzt. Aufgrund der Vielfalt des Einsatzes und der zugrunde liegenden Vielfalt der herzustellenden Erzeugnisse werden besonders heute Anforderungen an die Drapierbarkeit derartiger textiler Halbzeuge gestellt.
Das Drapieren ist das Anpassen eines flächigen Halbzeugs an eine gekrümmte dreidimensionale Oberfläche. Die Drapierbarkeit beschreibt die von derartiger Halbzeuge und insbesondere von Textilien bei einem derartigen Vorgang und somit auch das Vermögen eines Textils, einer äußeren Form mit oder ohne Faltenbildung oder Knickbildung zu folgen.
Um bei textilen Halbzeugen im Sinne von Gelegen, Geweben, Geflechten, Gewirken, Gestricken oder dergleichen die Drapierbarkeit zu verbessern, wird häufig vor der Herstellung des Halbzeugs, d. h. also vor den Prozessen des Legens, Flechtens usw., das zugrunde zu legende Fasermaterial, z. B. ein Endlosroving oder dergleichen mit Perforationen versehen, durch welche quer zur Fasererstreckungsrichtung die Fasern durchtrennt werden, so dass letztlich in ihrer Längsausdehnung reduzierte Faserabschnitte entstehen. Zwar verbessert das die Eigenschaften der Drapierbarkeit, jedoch werden gleichzeitig auch andere Eigenschaften des zugrunde zu legenden Fasermaterials verändert, und zwar meistens in nachteiliger Art und Weise, weil der Kraft-, Zug- und Druckübertrag in Fasererstreckungsrichtung deutlich reduziert wird, mithin also der materielle Zusammenhalt des letztlich herzustellenden Halbzeugs leidet.
Darüber hinaus gestaltet sich natürlich auch die Handhabung eines z. B. perforierten Rovings bei der Herstellung des Halbzeugs schwieriger, da ein deutliches Defizit an mechanischem Zusammenhalt die Folge ist, wodurch der Aufwand beim Herstellungsverfahren für das textile Halbzeug ansteigen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs, ein textiles Halbzeug selbst, ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs und einen Faserverbundwerkstoff selbst anzugeben, bei welchem das zugrunde zu legende faserbasierte textile Halbzeug ein besonders hohes Maß an Drapierbarkeit besitzt, ohne dass es zu einem erhöhten Aufwand bei dessen Herstellung kommt.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei einem textilen Halbzeug erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12, bei einem Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 und bei einem Faserverbundwerkstoff erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängen Ansprüchen definiert.
Es wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs – insbesondere mit verbesserter Drapierbarkeit – geschaffen, bei welchem zunächst unter Verwendung eines Fasermaterials mit oder aus Fasern ein faserbasiertes Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk, Gestrick oder dergleichen als faserbasiertes textiles Zwischenstadium eines textilen Halbzeugs ausgebildet wird. Dann wird nachfolgend an dem faserbasierten textilen Zwischenstadium des textilen Halbzeugs eine Mehrzahl von Perforationen ausgebildet wird, durch welche Fasern einzeln, gruppenweise und/oder bündelweise quer zu ihrer jeweiligen Fasererstreckungsrichtung teilweise oder vollständig durchtrennt werden. Das so erhaltene Erzeugnis wird drapiert. Die Perforationen sind oder werden in oder an Bereichen ausgebildet, an oder in denen das Zwischenstadium des Halbzeugs keine Knickstellen aufweist.
Der hier verwendete allgemeine Begriff des faserbasierten textilen Zwischenstadiums des textilen Halbzeugs – das auch als Halbzeugzwischenstadium bezeichnet und als eine Vorform des herzustellenden textilen Halbzeugs aufgefasst werden kann – beschreibt z. B. auch einen Zwischenzustand bei der Herstellung des textilen Halbzeugs, bei welchem eine erste und/oder eine zweite Lage bereits ausgebildet sind, aber weitere auszubildende Lagen noch nicht ausgebildet sind; auf diese Weise ist es möglich, bei fertigen textilen Halbzeug quasi innen liegende Zwischenlagen mit Perforationen zu versehen.
Es wird gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs – insbesondere mit verbesserter Drapierbarkeit – geschaffen, bei welchem zunächst unter Verwendung eines Fasermaterials mit oder aus Fasern ein faserbasiertes Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk, Gestrick oder dergleichen als faserbasiertes textiles Zwischenstadium eines textile Halbzeugs oder als faserbasiertes textiles Halbzeugzwischenstadium ausgebildet wird, bei welchem dann nachfolgend an dem faserbasierten textilen Zwischenstadium des textile Halbzeugs eine Mehrzahl von Perforationen ausgebildet wird, durch welche Fasern einzeln, gruppenweise und/oder bündelweise quer zu ihrer jeweiligen Fasererstreckungsrichtung teilweise oder vollständig durchtrennt werden, und bei welchem das so erhaltene Erzeugnis als textiles Halbzeug bereitgestellt wird.
Es ist also ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung, beim Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs anstelle ein perforiertes Fasermaterial als Ausgangsmaterial zu Grunde zu legen, zunächst auf der Grundlage eines jetzt unperforierten – Fasermaterials ein entsprechendes Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk, Gestrick oder dergleichen als faserbasiertes textiles Zwischenstadium eines textilen Halbzeugs auszubilden und dann nachfolgend an diesem fertig gestellten faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadium eine Mehrzahl von Perforationen auszubilden. Durch dieses Vorgehen wird also zunächst ein gewöhnliches faserbasiertes textiles Halbzeug mit sämtlichen Vorteilen im Hinblick auf eine mechanische Robustheit erzeugt und bereitgestellt. Erst dann wird zur Verbesserung der Drapierbarkeit nachträglich eine entsprechende Anzahl von Perforationen ausgebildet, um dadurch die Vorteile der dabei entstehenden Längenausgleichszonen für die spätere Anwendung nutzbar zu machen.
Das Ausbilden der Perforationen am textilen Halbzeugzwischenstadium kann im trockenen Zustand, insbesondere im trockenen Zustand der zu Grunde liegenden Fasern erfolgen.
Das faserbasierte textile Halbzeugzwischenstadium kann trocken ausgebildet werden, insbesondere unter Verzicht auf Bindermaterialien oder dergleichen.
Das faserbasierte textile Halbzeugzwischenstadium kann vor dem Ausbilden der Perforationen getrocknet werden, gegebenenfalls unter Vorschaltung eines Waschprozesses oder dergleichen.
Aufgrund des erhöhten mechanischen Zusammenhalts und der mechanischen Robustheit des faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums erübrigen sich Aspekte des häufig beim Stand der Technik vorzusehenden Hinzufügens von Bindermaterialien oder dergleichen. Vielmehr kann also erfindungsgemäß hier mit trocknen oder getrockneten Fasermaterialien gearbeitet werden, so dass die üblicherweise vorzusehenden Schritte des Hinzufügens des Binders und des wieder Herauslösens der Bindermaterialien beim Endprodukt oder auch andere Vorsichtsmaßnahmen entfallen.
Dies ist jedoch nur eine Option. Das Herauslösen des Binders muss nicht Zwangsläufig am Endprodukt erfolgen. Es ist auch vorher – z. B. vor der Textilherstellung – denkbar.
Denkbar ist in diesem Zusammenhang ferner die Herstellung von Gelegen mit Bindern statt mit Wirkfäden.
Zwar sind viele Einzelprozesse im Zusammenhang mit dem Perforieren an einzelnen Fasern oder Filamenten durchführbar und entfalten dort schon in vorteilhafterweise ihre Wirkung, jedoch ist der Bezug auf Faser- oder Filamentbündel und insbesondere auf Rovings von besonderer Bedeutung.
Ein Filament ist eine sehr lange und im Idealfall endlos lange Textilfaser, z. B. 1.000 m lang. Mehrere Filamente bilden ein Multifilament. Ein Roving ist ein Multifilament, also ein Bündel aus Einzelfilamenten, bestehend aus sehr dünnen Einzelfilamenten. Die Einteilung hierbei erfolgt über die Anzahl der Einzelfilamente.
Textile Faserstoffe haben einen runden oder annähernd runden Querschnitt (auch oval, trilobal, sternförmig, schäfchenwolkenförmig). Ist der Querschnitt flach, z. B. zwei bis drei Mal breiter als dick, so spricht man nicht mehr von Fasern, sondern von Folienbändchen, Bändchen, Folienstreifen oder fibrillierten Bändchen.
Textilfasern weisen im Vergleich zu ihrer Dicke D eine große Länge L auf, z. B. mit L/D > 1000, und sind entsprechend schlank und biegsam. Fasern für technische Bereiche – z. B. Faserstaub, Asbestfasern, Faserbruchstücke – beginnen schon bei einem Verhältnis L/D > 3 mm–10 mm.
Im Textilbereich spricht man von Kurzfasern, wenn die Länge L bei etwa 10 mm bis etwa 12 mm liegt, bei Baumwolle von einem Kurzfaseranteil wenn die Länge etwa unter 12,7 mm (0,5'') liegt.
Flockfasern und Fasern für die Nassfliesherstellung können eine Länge L von 2 mm bis 3 mm aufweisen.
Fasern werden ferner unterteilt in Spinn- oder Stapelfasern und Filamente, Mono- und Multifilamente.
Anhand der Rohstoffe unterscheidet man Naturfasern (Baumwolle, Wolle, Jute, Flachs, Hanf, Ramie, usw.), Chemiefasern (Polyester, Propylen, Polyamide, Polyacryl, Viskose, Modal, Lyocell, Acetat, usw.) und Fasern aus anorganischen Rohstoffen (Carbon, Glas, Metall usw.). Diese können sämtlich einzeln oder in beliebiger Kombination bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Vor diesem allgemeinen Hintergrund können Perforationen vertikal auch nur teilweise ausgebildet werden, so dass Rovings, Faserbündel oder Fasern transversal zu ihrer Fasererstreckungsrichtung nicht vollständig durchtrennt werden. Es kann also hier ausgenutzt werden, dass bereits eine unvollständige Durchtrennung eines Rovings, eines Faserbündels oder einer Faser transversal zur jeweiligen Fasererstreckungsrichtung schon zu einer Flexibilisierung des Faserensembles insgesamt führt, weil z. B. die Biegeeigenschaften und damit die Drapierbarkeit verbessert werden. Auch kann daran gedacht werden, dass ein fast vollständiges Durchtrennen dann beim tatsächlichen Drapieren doch auftritt und genutzt wird.
Perforationen können in Bezug auf die laterale Erstreckung (xy) des faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums lokal oder lokal konzentriert ausgebildet werden.
Z. B. können Perforationen in Bezug auf die laterale Erstreckung (xy) des faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums höchstens in Bereichen ausgebildet werden, in denen – insbesondere in der Anwendung oder Verwendung des auszubildenden textilen Halbzeugs – wenige oder keine Knicke, Falten oder Faltungen vorgesehen sind oder werden.
Natürlich veränderten auch die im Nachhinein, also nach der Erstellung des eigentlichen Halbzeugs hinzugefügten Perforationen die mechanischen Eigenschaften des Halbzeugs, insbesondere im Hinblick auf die mechanische Robustheit und die Übertragung von Kraft, Druck und Schub. Diese mechanischen Veränderungen können jedoch auf ein Mindestmaß reduziert werden, und gerade in lokaler Art und Weise, indem nämlich nur in denjenigen Bereichen durch das Vorsehen von Perforationen Längenausgleichszonen geschaffen werden, wo es notwendig ist, so dass nur mit einem Minimum an veränderten mechanischen Eigenschaften zu rechnen ist.
Bei Mehrlagigkeit des faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums und/oder des zu erzeugenden textilen Halbzeugs können Perforationen alternativ oder zusätzlich vertikal lokal ausgebildet werden, so dass durch eine Perforation nicht sämtliche Lagen vollständig durchtrennt werden.
Die Lokalität der Perforationen kann sich also auch in der vertikalen Richtung des textilen Halbzeugs manifestieren. Es ist je nach Anwendung nämlich nicht unbedingt erforderlich, dass bei mehrlagigen textilen Halbzeugen sämtliche Lagen perforiert werden. Vielmehr können je nach Anwendung ein oder mehrere äußere Lagen – ggf. z. B. obere oder untere Decklagen – perforiert werden oder verschont bleiben; diese Situationen sind ohne Weiteres über den Aufbau und die Verwendung des oder der Halbzeugzwischenstadien realisierbar. Auch können sich in vertikaler Richtung perforierte und verschonte Bereiche abwechseln. Auch ist daran zu denken, dass gezielt bestimmte Schichten perforiert, andere dagegen verschont bleiben.
Bei Mehrlagigkeit der faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums und/oder des zu erzeugenden textilen Halbzeugs können innere Lagen – insbesondere bei mehr als zwei Lagen insgesamt – perforiert werden, indem eine Mehrzahl geringerlagiger faserbasierter textiler Halbzeugzwischenstadien – insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche – bereitgestellt und entsprechend perforiert und dann zum zu erzeugenden textilen Halbzeug zusammengefügt werden.
Es können Perforationen als Löcher, Schlitze, Schnitte, Bohrungen oder dergleichen ausgebildet werden, ferner auch durch Prozesse des Schlagens, Reißens, Brechens, Stanzens, Quetschens und dergleichen.
Die Perforationen können mechanisch, optisch und/oder thermisch ausgebildet werden, insbesondere unter Verwendung von Messern, Cuttern oder Lasereinrichtungen, letztere insbesondere im Zusammenhang mit CO₂-Lasern oder Nd:YAG-Lasern.
Es können bei dem Fasermaterial ein oder mehrere Fasertypen aus der Gruppe zu Grunde gelegt werden, die Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern, wie z. B. Flachs, Hanf, Polymerfasern und deren Derivate und Kombinationen aufweist, insbesondere auch in Form von Faserbündeln, Rovings oder dergleichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein textiles Halbzeug geschaffen, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist oder wurde.
Ferner wird erfindungsgemäß auch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs angegeben, bei welchem ein oder mehrere erfindungsgemäße textile Halbzeuge und/oder ein oder mehrere gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellte textile Halbzeuge verwendet werden und/oder bei welchem das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für textile Halbzeuge teilweise oder vollständig integriert aufgenommen ist.
Es kann ein faser- und insbesondere gewebeverstärktes Werkstück, Erzeugnis oder Bauteil mit einer Hohlform, insbesondere ein Rohr oder dergleichen, ausgebildet werden, insbesondere als innenaufgeblasene Struktur.
Dabei können die Perforationen, insbesondere als Einschnitte, in einer Hauptrichtung ausgebildet sein oder werden, um insbesondere ein oder mehrere äußere Umfangslagen des oder der zu Grunde zu legenden textilen Halbzeuge zu dehnen.
Schließlich wird durch die vorliegende Erfindung auch ein Faserverbundwerkstoff angegeben, welcher gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs ausgebildet ist oder wurde, insbesondere in Form eines innenaufgeblasenen Rohres oder dergleichen.
Diese und weitere Aspekte werden beispielhaft auf der Grundlage der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 erläutert in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines textilen Halbzeugs mit verbesserter Drapierbarkeit.
2A–3D zeigen in Form von schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansichten bzw. Draufsichten Zwischenstufen, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines textilen Halbzeugs mit verbesserter Drapierbarkeit erreicht werden.
4A, 4B zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht das Drapiervermögen eines herkömmlichen faserbasierten textilen Halbzeugs im Vergleich zum Drapiervermögen eines erfindungsgemäß hergestellten faserbasierten textilen Halbzeugs, wobei die Halbzeuge in Gewebeform um einen Kugelkörper herum drapiert sind.
5 zeigt in perspektivischer Draufsicht die in der 4B dargestellte Situation.
6A–6D zeigen in schematischer Drauf- und Seitenansicht das Drapiervermögen eines erfindungsgemäß hergestellten faserbasierten textilen Halbzeugs in Form eines Geleges, welches um einen Quader herum drapiert wird.
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden.
Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
Die Figuren beschreiben die Erfindung exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen und in schematischer Art und Weise und sind nicht maßstabsgetreu, solange nichts anderes gesagt ist.
Zunächst wird auf die Zeichnungen im Allgemeinen Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch hinsichtlich ihrer Drapierbarkeit verbesserte faserbasierte textile Halbzeuge, insbesondere auch zur oder für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen (FVW) oder Faserverbundkunststoffen (FVK) sowie entsprechende Herstellungs- oder Produktionsverfahren.
Die mangelnde Drapierbarkeit von textilen Halbzeugen, insbesondere von Fasergelegen oder dergleichen ist z. B. bei der bei der Fertigung von Faserverbundstrukturen problematisch. Dies verhindert einen weiterverbreiteten Einsatz von FVK in der Großserie.
Zur Lösung bestehen verschiedene Ansätze: Im Bereich der trockenen Preforms werden die Fasern vor der Halbzeugherstellung definiert in kleinere Teile geschnitten oder gebrochen und teilweise durch Binderwerkstoffe zusammengehalten.
Bei vorimprägnierten Fasern, so genannten Prepregs, können Löcher mit Hilfe eines Lasers in das Material gebrannt werden.
Bei einer definierten Schädigung der Rovings vor der Verarbeitung zu textilen Halbzeugen jedoch bestehen im Wesentlichen drei Probleme:

– Die Schädigung/Bearbeitung erfolgt meist auf ganzer Länge und nicht lokal.
– Die bearbeiteten Rovings können auf Textilmaschinen nur unbefriedigend zu Halbzeugen – wie z. B. Gelegen oder Geflechten – weiterverarbeitet werden.
– Bei der Verwendung von Bindern kann ein zusätzlicher Arbeitsschritt nötig werden, wenn diese ganz oder teilweise wieder entfernt werden müssen.

Die Drapierbarkeit von textilen Halbzeugen 40 wird durch die Erfindung verbessert und insbesondere definiert eingestellt. Dadurch werden die genannten Nachteile der beschriebenen sonstigen Ansätze umgangen.
Dies wird erreicht durch kontrollierte Perforation der – insbesondere nicht mit einem Matrixsystem imprägnierten – Fasern – z. B. mittels eines Lasers – und zwar nach der Verarbeitung zu einem Halbzeugzwischenstadium 30, das als gewöhnliches Halbzeug auffassbar ist. Dadurch wird erreicht, dass sich die Fasern 21 bei der Drapierung längen und somit die Drapierbarkeit des Halbzeugs 40 verbessern. Dies kann ohne zusätzliche Hilfsstoffe – wie z. B. Binder – erfolgen.
Ein Kern der Erfindung ist also u. a. die Bearbeitung von üblichen textilen Halbzeugen als Halbzeugzwischenstadien statt der Rovings 22 wie bei anderen Verfahren für nicht imprägnierte oder trockene Fasern 21.
Durch die lokale Bearbeitung können die Drapiereigenschaften lokal eingestellt werden. Hierdurch ist es möglich, eine Längung der Fasern 21 in Bereiche zu legen in denen eine geringe Reduzierung der mechanischen Eigenschaften möglich ist. So werden Verschiebungen, welche zwangsläufig beim Drapieren entstehen, nicht durch das gesamte Halbzeug 40 weitergegeben, sondern können lokal begrenzt werden.
Weiterhin kann bei mehrschichtigen Halbzeugen die Bearbeitung auf eine Faserrichtung beschränkt werden, so dass in den anderen Richtungen weiterhin die Materialeigenschaften der unbehandelten Faser 21 zur Verfügung stehen.
Das Ausbilden von Perforationen 25 ermöglicht, so genannte Längenausgleichszonen in das Fasermaterial 20 zu integrieren. So kann quasi einen Längung der Fasern erreicht werden. Lokale Verschiebungen werden nicht durch das gesamte Halbzeug 40 und damit nicht durch das gesamte Bauteil weitergereicht. Somit kann ein Faserverzug des textilen Halbzeugs 40 deutlich reduziert werden.
Durch die lokale Anwendung der Perforation 25 ist es möglich, diese Zonen, welche geringfügig schlechtere mechanische Eigenschaften besitzen, in Bereiche des Halbzeugs 40 oder Bauteils zu legen, in denen es von der Belastung her möglicht ist.
Wichtig ist, dass das Halbzeug 40 z. B. ausschließlich in einem bestimmten Bereich und dort auch nur in einer außen – z. B. oben – liegende 0°-Lage perforiert werden kann, die andere außen liegende Lage, z. B. eine untere 90°-Lage kann unverändert bleiben. Natürlich sind je nach An- oder Verwendung auch andere Szenarien denkbar, so dass z. B. die Lagen der eben beschriebenen Situation vertauscht sein können.
Das erfindungsgemäße hergestellte Halbzeug 40 kann als eine Weiterentwicklung eines herkömmlichen Halbzeuges aufgefasst werden. Der Begriff Halbzeug meint hier insbesondere auch ein Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk, Gestrick oder ähnliches.
Prinzipiell sind sowohl Schnitte als auch Bohrungen zur Ausbildung von Perforationen 25 möglich. Als zusätzliches Verfahren wäre die Verwendung eines maschinellen Cutters möglich.
In horizontaler Ebene ist bei der Perforierung prinzipiell jedes beliebige Schnittmuster möglich. In vertikaler Richtung muss ggf. eine Lage komplett durchtrennt werden. In diesem Fall ist eine sehr genaue Einhaltung der Schnitttiefe zwingend erforderlich.
Für die Laser- bzw. Cutterbehandlung ist nur die Verwendung von Gelegen sinnvoll um eine kontrollierte Schädigung einer Lage (respektive einer Faserrichtung) zu ermöglichen. Theoretisch wäre noch die Verwendung von Geweben, Geflechten und Gesticken denkbar.
Als weitere Fasern neben Glas und Kohlenstoff sind noch Aramid, Polymerfasern sowie sämtliche Naturfasern denkbar.
Die Bearbeitung entsprechend der Erfindung bei einem biaxialen Gelegen würde folgendermaßen aussehen: Einbringung und Positionierung der Rovings mit anschließender Verwirkung. Anschließend kann sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Geleges mit dem Laser bzw. mit einem Cutter bearbeitet werden. Als letzten Schritt kann ein Zuschnitt zu einzelnen Preforms bzw. ein Aufrollen erfolgen. Die Gelegemaschine würde um eine Laseranlage erweitert werden.
Bei Gelegen mit mehr als zwei Lagen müsste aus Gründen der Zugänglichkeit über die jeweiligen Halbzeugzwischenstadien eine Bearbeitung der inneren Lagen erfolgen bevor die äußeren Lagen aufgebracht und fixiert werden.
Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.
1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms in Kombination eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs 40 und insbesondere dessen Integration in ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs.
Nach einem einleitenden und vorbereitenden Schritt S0 werden in einem ersten Arbeitsschritt S1 das zu Grunde liegende Fasermaterial 20 mit oder aus Fasern 21 und gegebenenfalls weitere materielle Komponenten bereitgestellt.
Im darauf folgenden weiteren Schritt S2 wird ein Gelege, Geflecht, Gewebe, Gewirk oder Gestrick 31 ausgebildet, im Ergebnis davon wird ein faserbasiertes textiles Halbzeugzwischenstadium 30 als Vorform des Halbzeugs 40 erhalten.
Im darauf folgenden Schritt S3 wird das so erhaltene faserbasierte textile Halbzeugzwischenstadium 30, die auch als herkömmliches faserbasiertes textiles Halbzeug aufgefasst werden kann, perforiert, d. h. dass Perforationen 25 in der Faserstruktur ausgebildet werden. Im Ergebnis davon wird das erfindungsgemäße faserbasierte textile Halbzeug 40 erhalten.
Damit ist der eigentliche erfindungsgemäße Herstellungsprozess für das faserbasierte textile Halbzeug 40 abgeschlossen. Das erhaltene textile Halbzeug 40 kann nun entweder zwischengelagert werden oder einem Weiterverarbeitungsprozess unterworfen werden.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird das erfindungsgemäße textile Halbzeug 40 einem Weiterverarbeitungsschritt S4 unterzogen, um daraus einen Faserverbundwerkstoff 100 auszubilden, gegebenenfalls darüber hinaus auch in Form eines Werkstücks, z. B. eines innenaufgeblasenen Rohrs oder eines anderen Hohlkörpers.
Mit dem abschließenden Schritt S5 ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beendet.
Das dargestellte Verfahren kann abschnittsweise – nämlich in den Schritten S2 und S3 – iterativ durchgeführt werden, um ein mehrlagiges oder mehrschichtiges Halbzeug 40 mit innen liegenden perforierten Lagen oder Schichten auszubilden.
Die Abfolge der 2A bis 2D zeigt in schematischer Draufsicht verschiedene Zwischenstufen, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erreicht werden. Die entsprechenden 3A bis 3D beschreiben die in den 2A bis 2D dargestellten Situationen oder Zwischenstadien in schematischer und geschnittener Seitenansicht.
Im Zustand der 2A bzw. 3A wird zunächst als Grundstruktur ein Endlosfaserroving 22 als Fasermaterial 20 mit Fasern 21 bereitgestellt. Dieser ist von seiner Natur her eine ununterbrochene Struktur und weist keine Lücken und insbesondere keine Perforationen auf.
Im Übergang zu den in den 2B bzw. 3B dargestellten Zwischenzustand wird dann zunächst aus dem Endlosroving 22 eine erste Lage 23, z. B. eines Geleges aus den Fasern 21 – hier als Fasern 21x in x-Richtung – des Rovings 22 ausgebildet, wobei hier die Erstreckungsrichtung x als Erstreckungsrichtung für das herzustellende Halbzeug 40 vorgegeben ist und die so graphisch dargestellte erste Lage eine 0°-Lage ist.
Im Übergang zu dem in den 2C bzw. 3C dargestellten Zwischenzustand wird dann eine zusätzliche zweite Lage 24 aufgebracht, die hier eine 90°-Lage ist, und zwar aus oder mit Fasern 21y in y-Richtung.
Damit ist das faserbasierte textile Halbzeugzwischenstadium 30 z. B. im Sinne eines Geleges 31 fertig gestellt.
Im Übergang zu dem in den 2D bzw. 3D gezeigten Zwischenzustand werden dann über einen entsprechenden Perforationsmechanismus Perforationen 25 in der Faserstruktur ausgebildet.
Das bedeutet, dass einzelne Fasern quer zu ihrer Erstreckungsrichtung, hier also die x-Richtung für die erste Lage 23 bzw. die y-Richtung für die zweite Lage 24 vollständig durchtrennt werden, und zwar in z-Richtung, wobei die Perforationen für die x-Fasern 21x mit 25x für die y-Fasern 21y mit 25y bezeichnet werden.
Bei den in den 2A bis 3D gezeigten Situationen werden Fasern 21 aus beiden Lagen 23, 24 mit Perforationen 25 ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die Perforationen 25 können sich auch auf einzelne Lagen beschränken oder auf Gruppen von Lagen, es müssen nicht sämtliche Lagen von den Perforationen betroffen sein.
Bei den 2A bis 3D wurde ein Gelege 31 zu Grunde gelegt, dies ist jedoch nicht zwingend, wie dies vorangehend bereits dargelegt wurde.
4A zeigt in geschnittener und schematischer Seitenansicht, wie ein herkömmliches textiles Halbzeug, hier in Form eines faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums 30, also ohne Perforationen 25, um einen Körper K, hier in Form einer Kugel drapiert werden kann.
Zu erkennen ist, dass – ausgehend vom Boden, auf welchem die Kugel K angeordnet ist – das Halbzeugzwischenstadium 30 zum Scheitel des Körpers K emporstrebt und dann zu der Grundfläche zurückkehrt. Ein Anschmiegen oder optimales Drapieren am Körper K findet nur im oberen Bereich, also auf der vom Boden abgewandten Seite statt. Insbesondere den Einschneidungen auf der dem Boden zugewandten Seite kann das Halbzeugzwischenstadium 30 nicht folgen.
Die 4B zeigt im Gegensatz dazu, dass durch das erfindungsgemäße Vorsehen von Perforationen 25 in der Faserstruktur nach dem Ausbilden des Halbzeugzwischenstadiums 30 das Folgevermögen und damit die Drapierfähigkeit des erfindungsgemäßen faserbasierten textilen Halbzeugs 40 wesentlich verbessert ist. Beim erfindungsgemäßen faserbasierten textilen Halbzeug 40 findet ein Anschmiegen an den Körper K wesentlich näher in den Einschnürungsbereichen auf der dem Boden zugewandten Seite statt. Zum Vergleich ist noch einmal die Verlaufslinie beim Drapieren des Halbzeugzwischenstadiums 30 angedeutet.
Die 5 zeigt in perspektivischer Draufsicht die in der 4B gezeigte Situation unter Zugrundelegung eines Gewebes 31.
Zu erkennen ist, dass aufgrund der im Verlauf der Fasern 21, nämlich der Fasern 21x in x-Richtung und der Fasern 21y in y-Richtung, vorgesehenen Perforationen 25 das Anschmiegevermögen und damit die Drapierfähigkeit des erfindungsgemäßen textilen Halbzeugs 40 deutlich verbessert werden. Durch die Perforationen werden in x-Richtung Faserabschnitte 21xp und in y-Richtung Faserabschnitte 21yp ausgebildet, die in ihrer Gesamtheit entsprechende Längenausgleichszonen realisieren, die die Grundlage für die Drapierfähigkeit entlang einer dreidimensionalen Struktur definieren.
Die 6A bis 6D zeigen in schematischer Drauf- und Seitenansicht das Drapiervermögen eines erfindungsgemäß hergestellten faserbasierten textilen Halbzeugs 40, hier in Form eines Geleges 31, welches um einen Quader als Körper K herum drapiert wird.
Dabei zeigen die 6A und 6B die Situation vor oder beim Drapieren; das erfindungsgemäße Halbzeug 40 wird entgegen der z-Richtung auf den Körper K abgelegt. Im drapierten Zustand gemäß den 6C und 6D entstehen auf grund des unterschiedlichen Faserlaufs beim Anschmiegen am Körper K Ausgleichszonen A. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von Perforationen 25, die in den 6A bis 6D nicht explizit dargestellt sind, wird das Ausmaß des Auftretens derartiger Ausgleichszonen A, in denen sich veränderte Textileigenschaften ergeben, beschränkt.
Die Ausgleichszonen A sind jeweils durch eine Ellipse markiert. Es ist deutlich zu sehen, dass die sich ergebenden Verschiebungen lateral nicht durch das gesamte Material gereicht werden, sondern in den und durch die markierten Bereiche ausgeglichen werden können.
Bezugszeichenliste

20: Fasermaterial
21: Faser
21x: Faser in x-Richtung, x-Faser
21xp: Faserabschnitt in x-Richtung
21y: Faser in y-Richtung
21yp: Faserabschnitt in y-Richtung
22: Roving, Faserbündel
25: Perforation
25x: Perforation in x-Richtung/an der x-Faser 21x
25y: Perforation in y-Richtung/an der y-Faser 21y
30: faserbasiertes textiles Zwischenstadium eines textilen Halbzeugs, faserbasiertes textiles Halbzeugzwischenstadium, faserbasierte textile Halbzeugvorform
31: Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk, Gestrick
40: erfindungsgemäßes faserbasiertes textiles Halbzeug
A: Ausgleichsbereich, Ausgleichszone
K: Körper, Kugel

Claims

Verfahren zum Herstellen eines textilen Halbzeugs (40) mit verbesserter Drapierbarkeit, bei welchem zunächst unter Verwendung eines Fasermaterials (20) mit oder aus Fasern (21) ein faserbasiertes Gelege (31), Gewebe (31), Geflecht (31), Gewirk (31), Gestrick (31) oder dergleichen als faserbasiertes textiles Zwischenstadium (30) eines textilen Halbzeugs ausgebildet wird, bei welchem dann nachfolgend an dem faserbasierten textilen Zwischenstadium (30) des textilen Halbzeugs eine Mehrzahl von Perforationen (25) ausgebildet wird, durch welche Fasern (21) einzeln, gruppenweise und/oder bündelweise quer zu ihrer jeweiligen Fasererstreckungsrichtung teilweise oder vollständig durchtrennt werden und bei welchem das so erhaltene Erzeugnis drapiert wird, wobei die Perforationen (25) in Bereichen ausgebildet sind oder werden, an oder in denen das Zwischenstadium (30) des Halbzeugs keine Knickstellen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Ausbilden der Perforationen (25) am faserbasierten textilen Zwischenstadium (30) des Halbzeugs im trockenen Zustand, insbesondere im trockenen Zustand der zu Grunde liegenden Fasern (21) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das faserbasierte textile Halbzeugzwischenstadium (30) trocken ausgebildet wird, insbesondere unter Verzicht auf Bindermaterialien oder dergleichen, oder bei welchem das faserbasierte textile Halbzeugzwischenstadium (30) vor dem Ausbilden der Perforationen (25) getrocknet wird, gegebenenfalls unter Vorschaltung eines Waschprozesses oder dergleichen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem Perforationen (25) vertikal nur teilweise ausgebildet werden, so dass eine Faser (21) transversal zu ihrer Fasererstreckungsrichtung nicht vollständig durchtrennt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem Perforationen (25) in Bezug auf die laterale Erstreckung (xy) des faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums (30) lokal oder lokal konzentriert ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem Perforationen (25) in Bezug auf die laterale Erstreckung (xy) des faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums (30) höchstens in Bereichen ausgebildet werden, in denen – insbesondere in der Anwendung oder Verwendung des auszubildenden textilen Halbzeugs (40) – wenige oder keine Knicke, Falten oder Faltungen vorgesehen sind oder werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem bei Mehrlagigkeit des faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums (30) und/oder des zu erzeugenden textilen Halbzeugs (40) Perforationen (25) vertikal lokal ausgebildet werden, so dass durch eine Perforation (25) nicht sämtliche Lagen vollständig durchtrennt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem bei Mehrlagigkeit des faserbasierten textilen Halbzeugzwischenstadiums (30) und/oder des zu erzeugenden textilen Halbzeugs (40) innere Lagen – insbesondere bei mehr als zwei Lagen insgesamt – perforiert werden, indem eine Mehrzahl geringerlagiger faserbasierter textiler Halbzeugzwischenstadien (30) – insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche – bereitgestellt und entsprechend perforiert und dann zum zu erzeugenden textilen Halbzeug (40) zusammengefügt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Perforationen (25) als Löcher, Schlitze, Schnitte, Bohrungen oder dergleichen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Perforationen (25) mechanisch, optisch und/oder thermisch ausgebildet werden, insbesondere unter Verwendung von Messern, Cuttern oder Lasereinrichtungen, letztere insbesondere im Zusammenhang mit CO₂-Lasern oder Nd:YAG-Lasern.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem bei dem Fasermaterial (20) ein oder mehrere Fasertypen aus der Gruppe zu Grunde gelegt werden, die Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, weitere Polymerfasern, Naturfasern und deren Derivate und Kombinationen aufweist, insbesondere auch in Form von Faserbündeln, Rovings oder dergleichen.
Textiles Halbzeug (40), welches gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist oder wurde.
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs, bei welchem ein oder mehrere faserbasierte textile Halbzeuge (40) nach Anspruch 12 und/oder ein oder mehrere gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellte faserbasierte textile Halbzeuge (40) verwendet werden und/oder bei welchem ein Verfahren zum Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 teilweise oder vollständig integriert ist.