DE102013014902B4

DE102013014902B4 - Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs

Info

Publication number: DE102013014902B4
Application number: DE102013014902.9A
Authority: DE
Inventors: Julius Rausch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2033-09-07
Also published as: DE102013014902A1

Abstract

Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs (1), bestehend aus gestreckt verlaufenden Verstärkungsfasern (2) (Rovings), die mittels Wirkfäden (3a, 3b, 3c) in ihrer Orientierung fixiert sind, wobei die Wirkfäden (3a, 3b, 3c) eine Schmelztemperatur aufweisen, die unter einer Schädigungstemperatur der Verstärkungsfasern (2) liegt, wobei das Endlosfaserhalbzeug (1) oder ein daraus hergestelltes Preformteil mit einem zu modifizierenden, lokal begrenzt vorgegebenen Flächenbereich (4) in einen zugeordneten Wirkbereich einer lokal wirkenden Energiequelle (5) gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modifizierung in diesem lokal begrenzt vorgegebenen Flächenbereich (4) ein Energieeintrag zur Aufschmelzung der Wirkfäden (3b) in der gesamten Textildicke ohne Beschädigung der Verstärkungsfasern (2) erfolgt, so dass in diesem vorgegebenen Flächenbereich (4) die Struktur der Wirkfäden (3b) über die gesamte Dicke des Endlosfaserhalbzeugs aufgelöst wird und dadurch hier lokal eine erhöhte Beweglichkeit der Verstärkungsfasern (2) und gegebenenfalls von Einzellagen untereinander erreicht wird, dass im lokal modifizierten Bereich (4) des Endlosfaserhalbzeugs (1) ein Lasteinleitungselement (8) eingebracht wird, und dass das Lasteinleitungselement (8) beim Einbringen die Verstärkungsfasern (2) ohne Schädigung verdrängt und auseinanderschiebt, und zwar unter Nutzung der lokal verbesserten Drapierbarkeit und Beweglichkeit der Verstärkungsfasern (2) im lokal modifizierten Bereich (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Faserbasierte flächige textile Endlosfaserhalbzeuge als Gelege, Gewebe, Geflechte, Gewirke oder Gestricke sind beispielsweise aus der DE 10 2010 064 446 A1 einlagig oder mehrlagig bekannt. Zur Verbesserung der Drapierbarkeit ist daraus weiter bekannt, mit einer Mehrzahl von Perforationen Fasern einzeln, gruppen- oder bündelweise quer zu ihrer jeweiligen Fasererstreckungsrichtung teilweise oder vollständig zu durchtrennen, um dadurch Längenausgleichszonen zu erzeugen. Eine ähnliche Maßnahme ist aus der US 6,454,893 B1 bekannt, wobei Fasern gezielt mit Schlitzen geschnitten werden.
Aus der DE 10 2011 109 231 A1 ist ein flächiges Endlosfaserhalbzeug, insbesondere ein Multiaxialgelege, bekannt, welches Verstärkungsfasern als Rovings aufweist, die mittels Wirkfäden bzw. Nähfäden in ihrer Orientierung fixiert sind. Es wird hier ein Herstellungsverfahren vorgeschlagen, bei dem in einer Kombination Wirkfäden mit einer unterschiedlichen thermischen Stabilität eingesetzt werden. Damit soll erreicht werden, dass in einem Formgebungsprozess mit einer Wärmebehandlung nur Bindenähte mit einem thermoplastischen Wirkfaden aufschmelzen können, die Rovings und einzelnen Lagen untereinander durch die Bindenähte aus temperaturstabilen Wirkfäden jedoch weiter in ihrer ursprünglichen Lage gehalten werden.
Mit der obigen Maßnahme wird somit einer Verschiebung der Verstärkungsfasern untereinander entgegengewirkt. Das Einbringen eines Lasteinleitungselements (Insert) in Dickenrichtung des Textils, insbesondere bei kleinen Abständen zwischen den Wirkfadenreihen und einer direkten Kopplung verschiedener Einzellagen bei einem Multiaxialgelege ist hier nicht ohne weiteres möglich ist. Die Wirk- und Nähfadenstruktur wird hier bei einer Erwärmung in einem Umformwerkzeug nur teilweise aufgelöst, so dass auch die Grenzen der Drapierbarkeit solcher textiler Halbzeuge nur teilweise im positiven Sinne verschoben werden. Für eine lokale Begrenzung der Maßnahme wird eine lokal begrenzte oder lokal variierende Materialkombination aus temperaturstabilen und thermoplastischen Wirkfäden vorgeschlagen, was ein aufwändiges, individuell angepasstes Herstellungsverfahren bedingt.
Aus der DE 102 52 671 C1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, dreidimensionalen Kunststoffteilen bekannt. Aus der DE 10 2012 211 571 A1 ist ein Faserhalbzeug sowie ein Faser-Kunststoff-Verbund mit verstärkter Öffnung bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs bereitzustellen, mit dem eine lokal verbesserte Drapierbarkeit und Beweglichkeit der Rovings untereinander für eine Einbringung eines Lasteinleitungselements erhalten wird.
Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die thermoplastischen Wirkfäden eine Schmelztemperatur aufweisen, die unter einer Schädigungstemperatur der Rovings liegt und das Endlosfaserhalbzeug oder ein daraus hergestelltes Preformteil mit einem zu modifizierenden, lokal begrenzt vorgegebenen Flächenbereich in einen zugeordneten Wirkbereich einer lokal wirkenden Energiequelle gebracht wird.
Zur Modifizierung in diesem lokal begrenzt vorgegebenen Flächenbereich erfolgt ein Energieeintrag mit der Energiequelle zur Aufschmelzung der Wirkfäden in der gesamten Textildicke, ohne Schädigung der Rovings. Dadurch wird in diesem vorgegebenen Flächenbereich die Struktur der Wirkfäden über die gesamte Dicke des Endlosfaserhalbzeugs aufgelöst und dadurch hier eine lokal erhöhte Beweglichkeit der Rovings und gegebenenfalls von Einzellagen untereinander erhalten.
Eine solche partielle Modifizierung des textilen Halbzeugs hat somit zum Ziel eine lokal verbesserte Drapierbarkeit und Beweglichkeit der Rovings untereinander zu erhalten, wofür der/die Wirkfäden so aufgetrennt und/oder geschädigt und/oder aufgelöst werden, dass die Rovings untereinander bewegt und verschoben werden können. Dabei ist unbedingt darauf zu achten, dass die vergleichsweise spröden Verstärkungsfasern nicht beschädigt werden und die Modifizierung nicht nur oberflächlich, sondern über die gesamte Dicke des Lagenaufbaus erreicht wird.
Vorteilhaft werden dadurch die Grenzen der Drapierbarkeit so lokal modifizierter Halbzeuge durch Auflösung der Wirk- und Nähfadenstruktur im positiven Sinne verschoben. Dadurch wird das Einbringen von lokalen Verstärkungselementen und/oder Lasteinleitungselementen, sogenannter Inserts, in die trockene Preform erleichtert, da bei einem Einbringen in Dickenrichtung des Textils die Verstärkungsfasern ohne Schädigung verdrängt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für alle möglichen faserbasierten Halbzeuge insbesondere für Gewebe und/oder Gestricke und/oder Gelege in einlagiger oder mehrlagiger Form, insbesondere für Multiaxialgelege.
Als Verstärkungsfasern werden in an sich bekannter Weise insbesondere Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern verwendet, deren Eigenschaften bei Temperaturen von etwa 300°C nicht negativ beeinflusst werden. Der Energieeintrag für die lokale Modifizierung durch Aufschmelzen der Wirkfäden soll daher so erfolgen, dass diese Temperatur nicht überschritten wird.
Für ein solches Aufschmelzen sind vorzugsweise thermoplastische Wirkfäden aus einem Polymer (zum Beispiel Polyester, Polyamide) geeignet. Bevorzugt wird als Energiequelle wenigstens ein Infrarotstrahler verwendet.
Für eine Anpassung an individuell lokal begrenzte Modifizierungen kann eine Blende mit einer verstellbaren Blendenöffnung eingesetzt werden oder können gegebenenfalls unterschiedliche Blenden getauscht werden.
Zudem kann der Energieeintrag durch eine Abstandsvariation bezüglich des Endlosfaserhalbzeugs beeinflusst werden. Vorteilhaft wird zudem eine Temperaturregelung verwendet, mit der eine Soll-Aufschmelztemperatur bei der Modifizierung eingehalten wird.
Als Energiequelle kann gegebenenfalls auch eine Heißgas-Vorrichtung eingesetzt werden, mit der ein den lokal begrenzt vorgegebenen Flächenbereich bestimmender Heißgasstrahl erzeugbar ist, der durch die Dicke des textilen Halbzeugs geführt wird. Bei Verwendung von Inertgas als Heißgas kann einem oxidativen Abbau vorgebeugt werden.
Als Energiequelle ist alternativ auch eine Kontaktheizung verwendbar mit wenigstens einem den vorgegebenen Flächenbereich bestimmenden Heizelement.
Der Einsatz von Infrarotstrahlung, von Heißgas oder einer Kontaktheizung kann während, nach oder vor einem Preformprozess erfolgen. Bei all diesen Verfahren verbleibt die thermoplastische Schmelze zwar im Textil, aber die Durchgängigkeit des aufgeschmolzenen Wirkfadens ist aufgehoben.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine stark schematisierte Draufsicht auf einen Abschnitt eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs
2 den Abschnitt aus der 1 bei einer Modifizierung eines Teilbereichs mit einer Infrarotbestrahlung;
3 den Abschnitt nach der 2 nach der Infrarotbestrahlung, und
4 den Abschnitt nach der 3 mit einem eingebrachten Lasteinleitungselement.

In der 1 ist ein Abschnitt eines flächigen einlagigen Endlosfaserhalbzeugs 1 stark schematisiert dargestellt. Das Endlosfaserhalbzeug 1 besteht aus nebeneinanderliegenden gestreckt verlaufenden Verstärkungsfasern 2, beispielsweise aus Glasfasern oder Kohlenstofffasern, die mittels quer verlaufender Wirkfäden 3a, 3b, 3c in ihrer Lage und Orientierung fixiert sind. Die Wirkfäden 3a, 3b, 3c bestehen aus einem Thermoplast, dessen Schmelztemperatur nicht zu einer thermischen Schädigung der Verstärkungsfasern 2 führt.
In der 2 ist der Abschnitt des Endlosfaserhalbzeugs 1 gezeigt, wobei im (strichliert eingezeichneten) Bereich 4 eine Modifizierung dergestalt erfolgt, dass dort der Wirkfaden 3b lokal und partiell aufgeschmolzen und damit aufgetrennt/geschädigt/aufgelöst wird. Dies erfolgt über einen Energieeintrag mittels eines (schematisch dargestellten) Infrarotstrahlers 5, der dosiert und auf den Bereich 4 gebündelt eine Infrarotstrahlung 6 so abgibt, dass einerseits der Wirkfaden 3b im Bereich 4 aufgeschmolzen wird und andererseits die dort verlaufenden Verstärkungsfasern 2 nicht beschädigt werden.
In der 3 ist der Zustand des Abschnitts des Endlosfaserhalbzeugs 1 nach der Modifizierung des Bereichs 4 gezeigt, dergestalt, dass der Wirkfaden 3b in diesem Bereich 4 aufgelöst ist und damit in diesem Bereich 4 die dort verlaufenden Verstärkungsfasern 2a, 2b, 2c, 2d untereinander beweglich und verschiebbar sind, wobei die Schmelze 7 des aufgeschmolzenen Wirkfadens 3b im Endlosfaserhalbzeug 1 verteilt verbleibt.
In der 4 ist der Abschnitt des Endlosfaserhalbzeugs nach der Modifizierung dargestellt, wobei im Bereich 4 ein Lasteinleitungselement 8 als Insert in Dickenrichtung des Endlosfaserhalbzeugs 1 eingebracht ist. Ersichtlich ist dies durch ein Verdrängen und Auseinanderschieben der Verstärkungsfasern 2a, 2b, 2c, 2d ohne deren Auftrennung einfach mit wenig Kraftaufwand und damit montagefreundlich möglich.

Claims

Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs (1), bestehend aus gestreckt verlaufenden Verstärkungsfasern (2) (Rovings), die mittels Wirkfäden (3a, 3b, 3c) in ihrer Orientierung fixiert sind, wobei die Wirkfäden (3a, 3b, 3c) eine Schmelztemperatur aufweisen, die unter einer Schädigungstemperatur der Verstärkungsfasern (2) liegt, wobei das Endlosfaserhalbzeug (1) oder ein daraus hergestelltes Preformteil mit einem zu modifizierenden, lokal begrenzt vorgegebenen Flächenbereich (4) in einen zugeordneten Wirkbereich einer lokal wirkenden Energiequelle (5) gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modifizierung in diesem lokal begrenzt vorgegebenen Flächenbereich (4) ein Energieeintrag zur Aufschmelzung der Wirkfäden (3b) in der gesamten Textildicke ohne Beschädigung der Verstärkungsfasern (2) erfolgt, so dass in diesem vorgegebenen Flächenbereich (4) die Struktur der Wirkfäden (3b) über die gesamte Dicke des Endlosfaserhalbzeugs aufgelöst wird und dadurch hier lokal eine erhöhte Beweglichkeit der Verstärkungsfasern (2) und gegebenenfalls von Einzellagen untereinander erreicht wird, dass im lokal modifizierten Bereich (4) des Endlosfaserhalbzeugs (1) ein Lasteinleitungselement (8) eingebracht wird, und dass das Lasteinleitungselement (8) beim Einbringen die Verstärkungsfasern (2) ohne Schädigung verdrängt und auseinanderschiebt, und zwar unter Nutzung der lokal verbesserten Drapierbarkeit und Beweglichkeit der Verstärkungsfasern (2) im lokal modifizierten Bereich (4).
Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosfaserhalbzeug (1) als Gewebe und/oder Gestrick und/oder Gelege, insbesondere als Multiaxialgelege, hergestellt ist.
Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (2) Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern sind und die Aufschmelzung der Wirkfäden (3b) bevorzugt mit einer Temperatur unter 300°C erfolgt.
Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Wirkfäden (3a, 3b, 3c) aus einem Thermoplast (zum Beispiel Polyester, Polyamide) bestehen.
Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle wenigstens ein Infrarotstrahler (5) ist, mit einer den lokal begrenzt vorgegebenen Flächenbereich (4) bestimmenden Blendenöffnung und/oder mit einer Abstandshalterung und/oder mit einer Temperaturregelung bezüglich des Endlosfaserhalbzeugs (1).
Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnung mittels einer verstellbaren Blende oder mittels austauschbarer unterschiedlicher Blenden variierbar ist.
Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (5) eine Heißgas-Vorrichtung ist, mit der ein den lokal begrenzt vorgegebenen Flächenbereich bestimmender Heißgasstrahl erzeugbar ist, der durch die Dicke des textilen Halbzeugs geführt wird.
Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Heißgas Inertgas verwendet wird.
Verfahren zur Modifizierung eines flächigen Endlosfaserhalbzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (5) eine Kontaktheizung mit wenigstens einem den vorgegebenen Flächenbereich bestimmenden Heizelement ist.