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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines als Maschenware ausgebildeten Verstärkungshalbzeuges für Organobleche, bei dem eine flächige Maschenware, insbesondere ein Multiaxialgelege mit mehreren Gelegelagen, mit einer Vielzahl von parallel zur Herstellungs- und Förderrichtung liegenden Bindenähten versehen wird und in jeder Bindenaht ein Wirkfaden die einzelnen Gelegelagen mit der Maschenware verbindet, wofür der wenigstens eine Wirkfaden mit einer Vielzahl von über die Breite der Maschenware senkrecht zur Herstellungs- und Förderrichtung angeordneten Nadeln, insbesondere Schiebernadeln durch die Maschenware hindurchgeführt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verstärkungshalbzeug für Organobleche, umfassend eine flächige Maschenware, insbesondere ein Multiaxialgelege mit mehreren Gelegelagen, mit einer Vielzahl von parallel zur Herstellungs- und Förderrichtung liegenden Bindenähten, wobei in jeder Bindenaht ein Wirkfaden die einzelnen Lagen der Maschenware verbindet.
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Verstärkungshalbzeuge für Organobleche sind allgemein bekannt. Dabei werden unter Organoblechen, die zu den Faserverbundwerkstoffen zählen, flächige Elemente verstanden, die Fasern enthaltende Verstärkungshalbzeuge aufweisen, welche mit einem thermoplastischen Matrixmaterial imprägniert sind. Es ergibt sich so die Möglichkeit, solche Organobleche unter Einsatz einer Temperatureinwirkung zu verformen.
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Als Verstärkungshalbzeug kommen hier beispielsweise Maschenwaren zum Einsatz, die mehrere Lagen umfassen können, wobei die einzelnen Lagen untereinander mit Wirkfäden verbunden, d. h. vermascht sind, beispielsweise maschengerecht oder auch nicht maschengerecht.
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Eine solche Maschenware kann beispielsweise als ein Multiaxialgelege ausgebildet sein, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diese Spezialform der Maschenware beschränkt ist. Ein solches Multiaxialgelege kann mehrere Gelegelagen umfassen, wobei jede der Gelegelagen parallel liegende Verstärkungsfäden, sogenannte Rovings oder gespreizte Verstärkungsbänder aufweist. Die einzelnen Gelegelagen sind hierbei unter unterschiedlichen Winkeln orientiert.
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Die Herstellung eines solchen Multiaxialgeleges kann mit einer sogenannten Kettenwirkmaschine mit einem multiaxialen Schusseintragsystem hergestellt werden, wobei die mehreren Lagen der Rovings oder der gespreizten Bänder in definierten Winkeln abgelegt werden.
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In einer in Förder- bzw. Herstellungsrichtung liegenden Wirkeinheit werden die einzelnen Lagen sodann mit einem oder mehreren Wirkfäden vermascht, wofür in der Kettenwirkmaschine eine senkrecht zur Förder- und Herstellungsrichtung angeordnete Nadelbarre vorgesehen sein kann, die mehrere Nadeln, insbesondere Schiebernadeln aufweist, mit denen der wenigstens eine Wirkfaden durch die Maschenware zum Zweck der Vermaschung hindurchgeführt wird. Es entstehen so im beispielsweise äquidistanten Abstand der Nadeln in Förder- bzw. Herstellungsrichtung liegende Bindenähte, durch welche die einzelnen Gelegelagen eines solchen Multiaxialgeleges verbunden sind.
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Wie erwähnt, ist die Erfindung nicht auf Multiaxialgelege beschränkt und es können demnach auch andere Maschenwaren zum Einsatz kommen, die einen Schichtaufbau aufweisen, wobei die einzelnen Schichten durch Wirkfäden zur Ausbildung von Bindenähten verbunden sind. Solche Maschenwaren können allgemein durch z. B. Stricken oder Wirken hergestellt sein.
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Im Stand der Technik ist es dabei bekannt, als Wirkfäden thermoplastische Materialien einzusetzen, z. B. aus PET. Der Einsatz solcher bekannter Maschenware mit thermoplastischen Wirkfäden erweist sich bei Organoblechen jedoch als nachteilig, da durch eine Temperaturbehandlung die thermoplastischen Wirkfäden der Maschenware nach dem Stand der Technik aufschmelzen und somit die ursprüngliche Vermaschung der einzelnen Lagen der Maschenware gelöst wird. Es kann daher bei einer Wärmebehandlung in einem Formgebungsprozess eines Organobleches mit einem solchen Verstärkungshalbzeug gemäß dem Stand der Technik zu einer Verschiebung der einzelnen Lagen kommen, was als nachteilig und unerwünscht gewertet wird.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verstärkungshalbzeug, ein Organoblech, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, wobei die Verstärkungshalbzeuge bzw. das Verfahren zu dessen Herstellung sicher stellen sollen, dass die einzelnen Lagen der Maschenware beim Einsatz in Organoblechen und damit einhergehenden Temperaturbehandlungen eine stabile Lage zueinander bewahren. Des weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verstärkungshalbzeug bzw. ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bereit zu stellen, mit dem die Imprägnierbarkeit mit thermoplastischen Matrixmaterialien wunschgemäß beeinflusst, insbesondere eingestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem Verfahren zur Herstellung eines als Maschenware ausgebildeten Verstärkungshalbzeugs für Organobleche gemäß der zuvor genannten gattungsgemäßen Art mit einer Teilanzahl aller Nadeln, ein temperaturbeständiger Wirkfaden durch die Maschenware geführt wird zur Herstellung von Bindenähten aus temperaturbeständigem Material. Beispielsweise kann hier als Wirkfaden ein solcher verwendet werden, der aus einem nicht-thermoplastischen Material hergestellt ist. Hierbei können die Nadeln z. B. als Schiebernadeln, aber auch als Zugnadeln ausgebildet sein, je nachdem, ob die Wirkfäden nach dem Einführen in die jeweilige Nadel mit der Nadel durch das Verstärkungshalbzeug hindurch geschoben oder gezogen werden.
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Dabei ist es ein wesentlicher Kerngedanke der Erfindung, dass ein solcher temperaturbeständiger Wirkfaden nicht an allen Nadeln zum Einsatz kommt, die beispielsweise in einer Maschine zur Herstellung der Maschenware, beispielsweise zur Herstellung eines multiaxialen Geleges eingesetzt werden.
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So werden zur Herstellung von Bindenähten in Maschinen zur Herstellung einer Maschenware, z. B. in Kettenwirkmaschinen über die Breite der Maschenware sogenannte Nadelbarren angeordnet, an denen eine Vielzahl von z. B. äquidistant angeordneten Nadeln vorhanden ist und wobei mit jeder Nadel ein Wirkfaden zur Herstellung einer Bindnaht durch die Maschenware, d. h. durch deren Dicke und somit durch alle Gelegelagen hindurchgeführt werden kann. Erfindungsgemäß wird nun nur ein Teil aller vorhandenen Nadeln verwendet, um einen temperaturbeständigen Wirkfaden zu führen.
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Die Verwendung eines temperaturbeständigen Wirkfadens bei einem Teil aller verwendeten Nadeln im Herstellungsprozess bewirkt erfindungsgemäß, dass die jeweils mit einer solchen Nadeln hergestellte Bindenaht ebenso temperaturbeständig ist und demnach eine als Verstärkungshalbzeug für Organobleche eingesetzte Maschenware bei einer Temperaturbehandlung eine Stabilität der einzelnen Lagen zueinander bewahrt im Gegensatz zu den Maschenwaren, die gemäß dem Stand der Technik bekannt sind.
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Es kann dabei in einer erfindungsgemäß bevorzugten Weiterbildung vorgesehen sein, dass mit einer anderen Teilanzahl aller Nadeln, also solche Nadeln, die nicht jeweils einen temperaturbeständigen Wirkfaden führen, insbesondere mit der restlichen Anzahl aller Nadeln, ein thermoplastischer Wirkfaden durch die Maschenware geführt wird zur Herstellung von Bindenähten aus einem thermoplastischen Material.
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Es entsteht demnach bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ein Verstärkungshalbzeug, welches einerseits eine Anzahl von Bindenähten aus einem temperaturstabilen Wirkfaden aufweist und andererseits auch eine Anzahl von Bindenähten aufweist, die aus einem thermoplastischen Wirkfaden hergestellt sind. Die Bindenähte zumindest derselben Materialart können dabei äquidistant angeordnet sein.
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Das Vorsehen von Bindenähten beider Materialarten wird insoweit als vorteilhaft angesehen, dass zum einen durch die temperaturstabilen Wirkfäden der Zusammenhalt der einzelnen Lagen der Maschenware bei einer Temperaturbehandlung des Verstärkungshalbzeuges oder eines fertigen Organobleches erhalten bleibt, wohingegen die thermoplastischen Wirkfäden bzw. die hierdurch hergestellten Bindenähte bei einer Temperaturbehandlung aufschmelzen oder zumindest erweichen können.
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Diese können sogar zu einer Imprägnierung des Verstärkungshalbzeuges durch die Dicke der Maschenware hindurch beitragen. So können demnach beispielsweise die thermoplastischen Wirkfäden einen Anteil des thermoplastischen Matrixmaterials bilden, gegebenenfalls sogar das einzige thermoplastische Matrixmaterial bilden, welches zur Imprägnierung des hergestellten Verstärkungshalbzeuges eingesetzt wird.
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Ein Organoblech kann demnach beispielsweise aus einem solchen erfindungsgemäßen Verstärkungshalbzeug gewonnen werden, in dem das Verstärkungshalbzeug lediglich einer Temperaturbehandlung, d. h. einer Aufheizung unterworfen wird, bei welcher die thermoplastischen Wirkfäden aufschmelzen und ein geschmolzenes Matrixmaterial bilden, welches sich innerhalb der Maschenware verteilt, beispielsweise durch wirkende Kapillarkräfte oder gegebenenfalls zusätzlich applizierten Druck. Ebenso besteht die Möglichkeit, ein Verstärkungshalbzeug dieser erfindungsgemäßen Art zusätzlich durch ein weiteres thermoplastisches Matrixmaterial zu tränken.
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Beim Einsatz von thermoplastischen Wirkfäden zusammen mit temperaturstabilen Wirkfäden und der zusätzlichen Imprägnierung mit einem thermoplastischen Matrixmaterial kann es vorgesehen sein, dass der wenigstens eine thermoplastische Wirkfaden und das thermoplastische Matrixmaterial aus demselben Material oder auch unterschiedlichen thermoplastischen Materialien gewählt werden.
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Bei Auswahl unterschiedlicher Materialien besteht auch die Möglichkeit, diese hinsichtlich ihrer materialspezifischen Temperaturen, insbesondere der Glasübergangstemperatur und/oder der Schmelztemperatur und/oder der Zersetzungstemperatur unterschiedlich zu wählen bzw. zu kombinieren Dabei sind die Temperaturen jeweils so definiert, dass unterhalb der Glasübergangstemperatur (auch Erweichungstemperatur genannt) das Material in einem spröden, glasartigen, hartelastischen Zustand, bzw. das Polymer als eingefrorene Schmelze vorliegt.
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Oberhalb der Glasübergangstemperatur und unterhalb der Schmelztemperatur geht das Material in einen elastischen Zustand über. Es liegt eine sogenannte Entropieelastizität vor.
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Oberhalb der Schmelztemperatur und unterhalb der Zersetzungstemperatur liegt das Material in einem flüssigen Zustand vor.
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Oberhalb der Zersetzungstemperatur wird das Material thermisch zersetzt und dadurch zerstört.
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Es besteht somit erfindungsgemäß die Möglichkeit, thermoplastische Materialen für Wirkfaden/Wirkfäden und Matrix einzusetzen, die verschiedene solche spezifischen Temperaturen aufweisen.
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Dabei können solche Materialienkombinationen auch lediglich lokal begrenzt und/oder lokal variierend in einer erfindungsgemäßen Maschenware zum Einsatz kommen, beispielsweise also in Abhängigkeit lokaler Bereiche der Maschenware die Materialien bzw. relativen Lagen der spezifischen Temperaturen der Materialen lokal geändert werden. Durch solche verschiedenen Verhältnisse und/oder Variationen können gezielt, insbesondere lokal verschiedene Eigenschaften eines Organobleches eingestellt werden.
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Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass ein thermoplastischer Wirkfaden mit einer gegebenen Schmelztemperatur kombiniert wird mit einem Matrixmaterial mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als der/die Wirkfäden und so die Umformbarkeit eines Organobleches gezielt, ggfs. nur lokal oder über das gesamte Blech eingestellt wird, z. B. als zäh-elastisch. Dies bedeutet, dass bei einer Temperaturbehandlung die Matrix bereits aufgeschmolzen ist, die Wirkfäden jedoch noch nicht, insbesondere sich in einem Übergangsbereich befinden zwischen der Glasübergangstemperatur und der Schmelztemperatur.
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In einer anderen Ausführung können z. B. auch Wirkfäden verwendet werden, die eine niedrigere Schmelztemperatur haben als die zusätzlich eingesetzte Matrix. In diesem Fall schmelzen ggfs. nur lokal oder global über das gesamte Blech bei einer Temperaturbehandlung zunächst die Wirkfäden auf. Hierdurch können gezielt zunächst Fließkanäle in Dickenrichtung eines Organoblechs erzeugt werden.
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In einer anderen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, dass zusätzlich zu dem Eintrag eines temperaturbeständigen Wirkfadens mit der Teilanzahl aller Nadeln gemäß der eingangs genannten Beschreibung mit einer anderen Teilanzahl aller Nadeln überhaupt kein Wirkfaden geführt wird, so dass diese anderen Nadeln, insbesondere die gesamte restliche Anzahl von Nadeln, im Herstellungsprozess der Maschenware auf ihrem Weg durch die Dicke der Maschenware keinen Faden führen und somit lediglich Durchgänge durch die Maschenwaren herstellen, dadurch, dass durch die Nadeln die einzelnen Rovings bzw. gespreizten Bänder an den Durchstichstellen verdrängt werden. An diesen Stellen, an denen die Nadeln keinerlei Wirkfaden führen, entsteht demnach eine Lochung des Maschenmaterials, die zusätzlich zu den temperaturbeständigen Wirkfäden und den durch diese hergestellte Bindenähte in die Maschenware eingetragen wird.
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Eine solche Lochung bzw. die durch die „leeren” Nadeln hergestellten Durchgänge wirken sich auf die Permeabilität und somit auf die Imprägnierbarkeit der Maschenware mit einem thermoplastischen Matrixmaterial aus, da dieses thermoplastische Matrixmaterial bei einer Temperaturbehandlung einfacher in die Durchgänge der Maschenware eindringen und somit die Maschenware über deren Dicke ausfüllen kann. Insbesondere wird so eine Imprägnierbarkeit in Richtung der Dicke der Maschenware verbessert.
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Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die beiden vorgenannten Ausführungsformen miteinander zu kombinieren, d. h. mit einer ersten Teilanzahl von allen Nadeln einen temperaturbeständigen Wirkfaden zu führen, mit einer zweiten Teilanzahl aller Nadeln einen thermoplastischen Wirkfaden zu führen und mit einer dritten Teilanzahl von Nadeln keinerlei Wirkfaden zu führen.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, über die Breite der Maschenware senkrecht zur Herstellungs- oder Förderrichtung die Nadeln oder Gruppen von Nadeln, die einen temperaturstabilen, insbesondere nicht thermoplastischen Wirkfaden führen und diejenigen Nadeln oder Gruppen von Nadeln, die entweder einen thermoplastischen oder auch gar keinen Wirkfaden führen, gleichmäßig zu verteilen, insbesondere so, dass über die Breite des hergestellten Verstärkungshalbzeuges sich eine wiederholende Abfolge der Nadeln bzw. Gruppen mit temperaturstabilen bzw. thermoplastischen Wirkfäden oder keine Wirkfäden führenden Nadeln ergibt.
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Beispielsweise kann es dabei vorgesehen sein, dass über die Breite der Maschenware senkrecht zur Herstellungs- oder Förderrichtung auf eine erste Anzahl (Gruppe) von Nadeln, die einen temperaturstabilen, insbesondere nicht thermoplastischen Wirkfaden führen, eine gleiche oder auch eine kleinere oder auch eine größere Anzahl (Gruppe) von Nadeln folgt, die einen thermoplastischen oder keinen Wirkfaden führen.
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Es besteht so erfindungsgemäß der besondere Vorteil, dass über das Verhältnis der Anzahl und/oder der räumlichen Abfolge von Nadeln bzw. Nadelgruppen, die einen temperaturstabilen, insbesondere nicht thermoplastischen Wirkfaden führen und von Nadeln bzw. Gruppen, die einen thermoplastischen und/oder keine Wirkfaden führen, eine gewünschte, insbesondere vorbestimmbare Permeabilität bzw. Imprägnierbarkeit der Maschenware für einen späteren Imprägnierungsschritt eingestellt wird.
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So kann demnach der Hersteller eines Verstärkungshalbzeuges für Organobleche im Herstellungsschritt selbst bestimmen, wie die Imprägnierbarkeit der Maschenware eingestellt ist.
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Beispielsweise besteht so auch die Möglichkeit, die Imprägnierbarkeit der Maschenware bzw. die Imprägnierung des späteren fertigen Verstärkungshalbzeuges lokal unterschiedlich zu gestalten. Dabei ist erfindungsgemäß in jedem Fall durch das Vorhandensein von temperaturstabilen Wirkfäden sicher gestellt, dass die einzelnen Lagen der Maschenware zueinander stabil verbleiben.
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Erfindungsgemäß kann es weiterhin vorgesehen sein, dass im Herstellungsprozess des Verstärkungshalbzeuges die Maschenware nach der Herstellung der Bindenähte thermisch entschlichtet wird. Erst durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Verstärkungshalbzeug wird ein solcher thermischer Entschlichtungsprozess möglich, da bei der Temperaturbehandlung während der Entschlichtung die temperaturstabilen Wirkfäden und die hierdurch hergestellten Bindenähte stabil bleiben und somit die einzelnen Lagen der Maschenware zueinander gesichert sind.
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Bei einer thermischen Entschlichtung bleibt demnach die im Herstellungsprozess hergestellte Lagenfolge erhalten. Es kann sodann auch vorgesehen sein, nach einer thermischen Entschlichtung eine neue andere Schlichte auf das erfindungsgemäß hergestellte Verstärkungshalbzeug aufzubringen. Die neue Schlichte kann dabei optimal auf eine bestmögliche Faser-Matrix-Haftung ausgerichtet sein.
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Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, als Wirkfäden zur Herstellung von temperaturstabilen, insbesondere nicht thermoplastischen Bindenähten, z. B. Glasfasern oder Carbonfasern oder Aramidfasern einzusetzen. Auch andere hier nicht ausdrücklich genannte, jedoch temperaturbeständige Fasern können eingesetzt werden. Dabei werden die jeweiligen Fasern bzw. Wirkfäden als temperaturbeständig im Sinne der Erfindung verstanden, wenn diese bei denjenigen Temperturen beständig sind bzw. bleiben, bei denen ein eingesetztes thermoplastische Matrixmaterial schmilzt bzw. verformbar wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Verstärkungshalbzeuges lassen sich demnach Organobleche herstellen, die ein solches Verstärkungshalbzeug umfassen und mit einem thermoplastischen Matrixmaterial imprägniert sind. Die Imprägnierung/Imprägnierbarkeit kann erfindungsgemäß variabel eingestellt werden und es ist durch das Vorhandensein von zumindest einigen Bindenähten aus einem temperaturbeständigen Wirkfaden sicher gestellt, dass die Lagen der Maschenware stabil zueinander verbleiben. Ein Verstärkungshalbzeug der erfindungsgemäßen Art weist demnach neben den Bindenähten aus einem temperaturstabilen Wirkfaden in einer Ausführung zusätzliche weitere Bindenähte aus einem thermoplastischen Wirkfaden und/oder Bereiche auf, in denen keine Bindenähte vorliegen, obwohl in diesen Bereichen beim Herstellungsprozess Nadeln durch die Maschenware geführt wurden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben.
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Die 1 zeigt als ein mögliches Ausführungsbeispiel ein multiaxiales Gelege aus insgesamt fünf Gelegelagen, wobei die einzelnen Gelegelagen 1a, 1b, 1c, 1d und 1e jeweils einzelne sogenannte Rovings oder gespreizte Bänder aufweisen, die in den verschiedenen Gelegelagen unterschiedliche Lege-Orientierung zueinander aufweisen. Diese unterschiedlichen Orientierungen werden beispielsweise in einer Kettenwirkmaschine hergestellt, die ein multiaxiales Schusseintragsystem in definierten Winkeln aufweist.
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Sobald in der Kettenwirkmaschine die einzelnen Gelegelagen 1a, 1b, 1c, 1d und 1e aufeinander abgelegt sind, folgt in Richtung zum Ende des Herstellungsschrittes das Vermaschen der einzelnen Lagen 1a–1e, wofür einzelne Nadeln 2, die an einer hier nicht gezeigten Nadelbarre angeordnet sind, zusammen mit Wirkfäden 4 durch die Dicke des multiaxialen Geleges geführt werden und hierbei in der Förder- und Herstellungsrichtung 5 zueinander parallel angeordnete, insbesondere äquidistante Bindenähte herstellen. Die Bindenähte entstehen hier durch Maschenbildung in den jeweiligen Wirkfäden.
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Dies verdeutlicht in schematischer Darstellung die 2, die das multiaxiale Gelege gemäß der 1 in vereinfachter Form darstellt, wobei es ersichtlich ist, dass mit einem Teil der Nadeln 2, nämlich solchen, die einen temperaturbeständigen Faden 4 führen, Bindenähte 3a parallel zur Herstellungs- und Förderrichtung 5 erzeugt werden, die demnach ebenso temperaturstabil sind und auch bei einer Temperaturbehandlung, beispielsweise zum Zweck der Imprägnierung mit einem thermoplastischen Matrixmaterial oder Formgebung die Lagestabilität sicherstellen.
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Mit einer anderen Anzahl aller Nadeln 2 kann weiterhin ein thermoplastischer Wirkfaden 4' zur Herstellung von nicht temperaturstabilen Bindenähten 3b eingesetzt werden, so dass sich in der hier dargestellten Abfolge bei der 2 zwischen temperaturstabilen Bindenähten 3a eine Anzahl von nicht temperaturstabilen Bindenähten 3b aus einem thermoplastischen Material ergeben. Diese Bindenähte, die durch den beispielsweise thermoplastischen Wirkfaden 4 hergestellt sind, können bei einer thermischen Behandlung des Verstärkungshalbzeuges aufschmelzen und einen Teil des Matrixmaterials oder vollständig das einzige Matrixmaterial ausbilden.
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Wie im allgemeinen Teil beschrieben, kann es auch vorgesehen sein, statt einen thermoplastischen Wirkfaden 4' mit einem Teil der Nadeln 2 keinen Wirkfaden zu führen.
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In einem solchen Fall könnte mit Bezug auf die 2 zwischen den Bindenähten 3a ein von Bindenähten freier Bereich 3b angeordnet sein, obwohl im Herstellungsprozess die Nadeln in diesem freien Bereich im jeweiligen Prozesstakt durch die Maschenware hindurchgeführt worden und hierbei Durchgänge gestochen haben.
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Diese Durchgänge beeinflussen maßgeblich die Permeabilität im erfindungsgemäßen Sinn, da sie die Ausbreitung eines thermoplastischen Matrixmaterials beeinflussen.
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Nicht dargestellt, jedoch ebenso möglich ist es, die Ausführungsvarianten zu kombinieren, d. h. neben den in der 2 dargestellten Bindenähten 3a mit einem temperaturstabilen Wirkfaden 4 und den Bindenähten 3b mit einem thermoplastischen Wirkfaden 4' auch Bereiche vorzusehen, in denen Nadeln ohne Wirkfaden lediglich Durchgänge durch die Dicke, d. h. durch alle lagen der Maschenware gestochen haben.
