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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines zwei- oder mehrlagigen multiaxialen Geleges sowie zwei- oder mehrlagige multiaxiale Gelege, die durch ein solches Verfahren erhalten werden, sowie deren Verwendung. Derartige Gelege eignen sich aufgrund ihrer guten Drapierbarkeit als Bewehrungen in Verbundbauteilen, insbesondere als textile Betonbewehrungen.
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Üblich sind multiaxiale Gelege aus Lagen von Verstärkungsfäden, welche durch einen Nähfaden zusammengehalten werden. Die Verstärkungsfäden selbst bestehen aus einer Vielzahl von Filamenten. Der Nähfaden bündelt die in den Fadensystemen verlegten Filamente. Dies führt dazu, dass dort, wo der Nähfaden die Oberfläche des Geleges verlässt, kleine Krater entstehen. Diese führen im Verbund zu unerwünschten Matrixanhäufungen, welche dann wiederum zu Rissbildungen führen können.
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Aus der
DE 10 2009 044 833 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs für die Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbundbauteil bekannt, dem zwei oder mehr Faserverstärkungsschichten zu einem Stapel übereinandergelegt werden, wobei zwischen mindestens zwei Schichten Bindemittel mit einem Anteil von 15 Gewichts-% oder weniger eingebracht wird. Danach erfolgt ein lokales Erwärmen des Stapels. Bei den Faserverstärkungsschichten kann es sich unter anderem um einzelne, ein Gelege bildende Lagen handeln. Die ein Gelege bildenden Lagen bilden insbesondere unidirektionale, bidirektionale, biaxiale oder multiaxiale Gelege. Das Bindemittel kann beispielsweise aufgestreut oder aufgesprüht werden.
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Ausführlich beschrieben wird in diesem Zusammenhang das Aufstreuen als Pulver oder Granulat.
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Die
EP 2 138 615 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines multiaxialen Fadengeleges. Bei dem Verfahren werden aus einer großen Zahl von Filamenten bestehende Fasern zu Bändern verbreitert, nebeneinander gelegt und in Form von abgelängten Segmenten von einem Greifer über eine Transporteinrichtung geführt und mittels einer Leger-Klemmeinrichtung auf dieser befestigt. Bei dem Verfahren werden die Bänder des Segments seitlich im Wesentlichen unverbunden zu dem Segment zusammengefasst und abgelegt. Hierbei ist eine Verfahrensweise vorgesehen, bei der Maßnahmen zum Erteilen einer Querkohäsion vermieden werden, die sich seitlich über mehrere Bänder hinweg erstreckt. Vor dem Ablegen der Segmente wird gemäß einer Variante auf eine der Faserlagen ein Kohäsionsmittel aufgebracht, das zunächst latent bleibt, aber nach dem Ablegen der Segmente thermisch aktiviert wird und die abgelegten Faserlagen miteinander verbindet. Das Kohäsionsmittel kann dabei zum Beispiel in Form eines Pulvers vor dem Verlegen auf die Schar der Bänder aufgetragen werden, die zusammen ein Segment bilden sollen. Ebenso kann man ein derartiges Pulver aber auch auf eine bereits abgelegte, auf der Transporteinrichtung befindliche unidirektionale Lage auftragen, um damit die nächste aufzubringende unidirektionale Lage zu verbinden, sobald die Kohäsionswirkung des Kohäsionsmittels aktiviert wird.
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Aus der
DE 100 60 379 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von multidirektionalen Faden- oder Fasergelegen bekannt, insbesondere für die Verstärkung dreidimensionaler, dünnwandiger Werkstücke aus Kunststoffen oder Harzen, wobei eine Zahl endloser Fäden oder Faserstränge einander kreuzend übereinander auf einem Ablegegrund gelegt und anschließend miteinander verbunden werden. Mit dem Ziel, die Herstellung der Fadengelege zu rationalisieren und Fadengelege mit verringertem Aufwand und mit besser variierbaren Festigkeitseigenschaften für dreidimensionale, dünnwandige Gegenstände einsetzbar zu gestalten, wird das Verfahren so verändert, dass auf dem Ablegegrund und/oder auf vorher gelegten Fadenschichten, in Verbindung mit dem Ablegevorgang für die Ausbildung einer Schicht, Fäden fixierende Mittel in die Ablegezone eingebracht und/oder dort aktiviert werden und dass die Fäden und/oder Faserstränge in einer Schicht einzeln oder in Gruppen zyklisch, wellen- und/oder schlingenförmig, fortschreitend, entlang unterschiedlich wählbar gerichteter Bahnen, spannungsfrei auf dem Ablegegrund und/oder auf vorhergelegten Fadenschichten abgelegt werden. Eine von Sprühbalken in feinsten Partikeln aufgebrachte klebrige Masse, die eine gleiche oder ähnliche Zusammensetzung hat wie später der das Fadengelege einschließende Kunststoff oder das Harz, sichert den Zusammenhalt des bisher gelegten Fadengeleges und schafft die Voraussetzung, dass nachfolgend spannungslos abgelegte Schlingen- und Wellengelege ihre Lage beim Legevorgang im Wesentlichen beibehalten.
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Bei einem in der
DE 698 14 129 T2 beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus unidirektionalen Fasern und regellosen Matten durchläuft eine Vielzahl von Tauen aus unidirektionalen Fasern zunächst einen Kamm zur Ausrichtung der Fasern und anschließend zwei Reihen von Rüttelwalzen. Zur Verbesserung von Faserausrichtung und Tauintegration werden die beiden Walzen an jedem Ende der Reihen in einer Richtung senkrecht zur Faserrichtung gerüttelt. Bei Durchlauf unter einer Heizlampe hindurch werden die Fasern erhitzt, bevor sie durch ein Paar aufgeheizter Walzen geleitet werden, wo zwei Harzfilmgitterschichten auf Abziehpapier, die gleichzeitig das Paar von Walzen durchlaufen, die Fasern in Sandwichanordnung zwischen sich aufnehmen. Die Walzen werden auf eine Temperatur aufgeheizt, die zum Schmelzen des Harzes ausreicht und im typischen Fall zwischen 60°C und 120°C liegt.
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Die
DE 10 2009 038 564 A1 lehrt ein Verfahren, bei dem eine bereits produzierte Faservliesplatte mittels Injektion von Additiven und/oder Substraten optimiert werden soll. Dabei soll die Oberfläche in ihrer Struktur und somit in ihrem physikalischen Verhalten unverändert bleiben und Formänderungen aufnehmen können. Die Faservliesplatte liegt bei dem Verfahren auf einem Auflagetisch. Im Folgenden wird der Injektionszyklus beschrieben. Vorratsbehälter sind über ein Belüftungssystem mit einer vorgegebenen Menge Additiv- oder Substratflüssigkeit gefüllt. Über eine Hubvorrichtung wird die Batterie, bestehend aus Rahmen und Injektionseinheiten, in das Vlies eingetaucht, so dass Injektionsnadeln in dem gewünschten Injektionsbereich des Vlieses stehen. Das Additiv/Substrat wird in das Vlies injiziert. Die Injektion bildet Nester im Vlies, die kugelförmig sind. Damit die kugelförmigen Nester ausgeprägter sind, führt eine Hubvorrichtung im Injektionsbereich eine Hubbewegung oder mehrere Hub-Senkbewegungen aus. Die Hubvorrichtung hebt an, geht in die Ausgangsstellung und steht für den nächsten Zyklus bereit. Das Vlies wird vom Auflagetisch entfernt und ein neues Vlies wird zur Bearbeitung bereitgestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines zwei- oder mehrlagigen multiaxialen Geleges sowie ein entsprechendes Gelege bereitzustellen, bei dem die guten Eigenschaften eines Nähgewirkes erhalten bleiben und das als Bewehrungsstruktur eines Verbundbauteils verwendet werden kann. Dabei sollen die durch den Nähfaden verursachten unerwünschten Eigenschaften entfallen. Darüber hinaus soll sich die Matrix eines auf der Basis des Geleges hergestellten Verbundbauteils überall gleichmäßig zwischen den Filamenten einlagern können. Zudem soll das erhaltene Gelege für seinen Einsatz als Bewehrungsstruktur gut drapierbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren zur Herstellung eines zwei- oder mehrlagigen multiaxialen Geleges umfasst die Verfahrensschritte:
- a) Zusammenlegen eines zwei- oder mehrlagigen multiaxialen Geleges aus Verstärkungsfadenlagen, wobei in diesem Verfahrensschritt weder eine Maschenfadenverbindung noch ein stoffschlüssiges Verbinden von Verstärkungsfadenlagen miteinander erfolgt,
- b) Einlagerung eines Bindemittels zwischen den Filamenten der Verstärkungsfadenlagen des zwei- oder mehrlagigen multiaxialen Geleges, wobei die Einlagerung des Bindemittels nach dem Zusammenlegen des zwei- oder mehrlagigen multiaxialen Geleges aus Verstärkungsfadenlagen in das fertig gelegte Gelege über Injektionsnadeln erfolgt, indem diese in das aufgebaute Gelege einstechen und nach Erreichen einer Injektionsposition eine das Bindemittel enthaltende Dispersion als Aerosol zwischen die Verstärkungsfadenlagen injizieren, und
- c) Verbindung des Geleges durch stoffschlüssiges Verbinden der aufeinanderfolgenden Verstärkungsfadenlagen des Geleges miteinander durch das Bindemittel.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt nach dem Zusammenlegen des zwei- oder mehrlagigen multiaxialen Geleges aus Verstärkungsfadenlagen die Einlagerung des Bindemittels über Injektionsnadeln, indem diese in das durch Leger aufgebaute Gelege einstechen und nach Erreichen einer Injektionsposition eine das Bindemittel enthaltende Dispersion zwischen die Verstärkungsfadenlagen injizieren, wobei die Injektion vorzugsweise in Form eines Impulses erfolgt. Vorteilhaft tritt dabei eine Injektionsnadelbarre, welche die Injektionsnadeln trägt, an die Stelle, an welcher sich an einer Nähwirkmaschine die Nadelbarre befinden würde. Die Führung und der Antrieb der Injektionsnadelbarre können ähnlich wie bei der Nadelbarre an Nähwirkmaschinen ausgeführt werden. Dies betrifft auch die Nadelbewegung in Richtung des Gelegetransportes. Da die Injektionsnadeln in das Gelege an einem gegenüber den Legern exakt definierten Ort einstechen, können mit dem Verfahren sowohl geschlossene als auch offene, gitterförmige Strukturen bzw. Gelege hergestellt werden.
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Die Zuführung der Dispersion kann über verschiedene Arten von Injektionsnadeln erfolgen. Zum einen können dies solche Injektionsnadeln sein, die mit Austrittsdüsen/Austrittsöffnungen versehen sind, oder es können zum anderen Kanülenadeln als Injektionsnadeln eingesetzt werden. Wenn eine Injektionsnadel mit Austrittsdüsen/Austrittsöffnungen angewendet wird, hat die Injektionsnadel dann die richtige Position im Gelege erreicht, wenn die Austrittsdüsen/Austrittsöffnungen die richtige Position erreicht haben, um die Dispersion, welche das Bindemittel beinhaltet, zu injizieren.
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Die Dispersion ist erfindungsgemäß ein Aerosol. Die eingetragene Bindemittelmenge pro Injektionsnadel und Injektion kann vorteilhaft über den Querschnitt der Austrittsdüsen/Austrittsöffnungen und/oder den Druck und/oder die Bindemittelkonzentration in der Dispersion sowie über die Impulszeit der Injektion, wenn die Injektion der Dispersion in Form eines Impulses erfolgt, gesteuert werden. Eine Anpassung der Injektionsnadeln an die Dicke des Geleges ist ebenfalls durch verschiedene Nadelabmessungen und Nadelformen möglich.
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Das Bindemittel wird vorzugsweise derart eingetragen, dass das Bindemittel vor dem Verbinden der Verstärkungsfadenlagen miteinander in Form einer Vielzahl von voneinander beabstandeten Bindemittelpartikeln zwischen den Filamenten der Verstärkungsfadenlagen vorliegt. Vorteilhaft ist der Abstand der Bindemittelpartikel zueinander vor dem stoffschlüssigen Verbinden der Verstärkungsfadenlagen so groß, dass beim stoffschlüssigen Verbinden der Verstärkungsfadenlagen keine Verbindung einzelner Bindemittelpartikel miteinander erfolgt.
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Als Bindemittel kommt vorzugsweise Klebstoff zum Einsatz. Besonders bevorzugt ist dabei der Einsatz eines Schmelzklebstoffs. Das Gelege wird dann verklebt, nachdem es fertig aufgebaut und der Klebstoff zwischen den Verstärkungsfadenlagen eingelagert ist.
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Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung bestehen in einem zwei- oder mehrlagigen multiaxialen Gelege, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird, sowie dessen Verwendung. Das Gelege kann dabei eine geschlossene oder offene, gitterförmige Struktur aufweisen. Derartige Gelege werden aufgrund ihrer guten Drapierbarkeit als Bewehrungen in Verbundbauteilen, insbesondere als textile Betonbewehrungen, verwendet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Injektionsstelle einer Multiaxialgelegemaschine,
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2: detaillierte Ansicht der Injektionsstelle mit einem Schnitt durch eine Injektionsnadel und
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3: eine schematische Darstellung des Verklebens eines dreilagigen Geleges mit einem Schmelzklebstoff.
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Die 1 zeigt schematisch eine Injektionsstelle 1 einer Multiaxialgelegemaschine mit Tisch 2 und Gegenhaltewelle 3 für ein Injektionsverfahren zum Verkleben eines dreilagigen, multaxialen Geleges 4. An die Stelle, an welcher sich an einer Nähwirkmaschine normalerweise die Nadelbarre befindet, tritt eine Injektionsnadelbarre 5, welche die Injektionsnadeln 6 trägt. Die 1 zeigt den Schnitt durch die Injektionsstelle 1 mit der Lagezuordnung zwischen Injektionsnadel 6 und Gelege 4 zum Zeitpunkt der Injektion. Das dreilagige Gelege 4 umfasst eine erste, untere Verstärkungsfadenlage 7, deren Fäden 8 als Kettfäden 8 entlang des Produktionsvorschubes 9 verlaufen. Auf die untere Lage 7 ist eine zweite, mittlere Verstärkungsfadenlage 10 gelegt, deren Fäden 11 als Schussfäden 11 orthogonal zu den Kettfäden 8 orientiert sind. Eine dritte, obere Verstärkungsfadenlage 12 aus entlang des Produktionsvorschubes 9 bzw. Gelegetransportes 9 verlaufenden Fäden 13 bzw. Kettfäden 13 liegt auf der zweiten, mittleren Verstärkungsfadenlage 10 auf und komplettiert damit das dreilagige multiaxiale Gelege 4.
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Die Zuführung einer Dispersion mit einem Bindemittel 14, in diesem Falle Klebstoff 14, kann durch Kanülenadeln oder durch geeignete Düsennadeln als Injektionsnadeln 6 erfolgen. Die Dispersion ist ein Aerosol. Die Injektionsnadel 6 stechen in das durch die Leger fertig aufgebaute Gelege 4 ein. Die 1 zeigt, wie die Injektionsnadel 6 in das Gelege 4 eintaucht, wobei der Nadelhub 15 mit einem Doppelpfeil angezeigt wird.
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Eine Anpassung an die Dicke des Geleges 4 ist durch verschiedene Nadelabmessungen und Nadelformen der Injektionsnadeln 6 möglich. Die Führung und der Antrieb der Injektionsnadelbarre 5 können ähnlich wie bei der Nadelbarre an Nähwirkmaschinen ausgeführt werden. Die betrifft auch die Nadelbewegung in der Richtung des Gelegetransportes 9.
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Die 2 zeigt eine detaillierte Ansicht A (Detail A aus 1) der Injektionsstelle mit einem Schnitt durch eine Injektionsnadel 6. Die Injektionsnadel 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Hohlnadel mit Austrittsöffnungen 16. Wenn die Austrittsöffnung 16 bzw. Austrittdüse 16 der Injektionsnadel 6 die richtige Position im Gelege 4 erreicht hat, kann die Injektion einer Dipersion erfolgen, welche in diesem Ausführungsbeispiel Klebstoff 14 als Bindemittel 14 beinhaltet.
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Die eingetragene Klebstoffmenge pro Injektionsnadel 6 lässt sich über den Querschnitt der Austrittsöffnungen 16 bzw. Austrittsdüsen 16, über den Druck, über die Klebstoffkonzentration in der Dispersion und über die Impulszeit der Injektion steuern.
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Da die Injektionsnadeln 6 in das Gelege 4 an einem gegenüber den Legern exakt definierten Ort einstechen, können mit dem Verfahren sowohl geschlossene als auch offene gitterförmige Gelege 4 bzw. Strukturen hergestellt werden.
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Die 3 zeigt schematisch den Verfahrensschritt des Verklebens eines dreilagigen Geleges 4 mit einem Klebstoff 14 als Bindemittel 14, hier speziell einem Schmelzklebstoff 14. Bezogen auf die Richtung des Produktionsvorschubs 9, ist der Schmelzklebstoff 14a in nicht verschmolzenem Zustand zunächst zwischen den Verstärkungsfadenlagen 7, 10 und 12 eingelagert, was in 3 schematisch in Form von runden Schmelzklebstoffpartikeln 14a dargestellt wird. Das Gelege 4 wird in Richtung des Produktionsvorschubes 9 zwei beheizbaren Walzen 17 zugeführt, zwischen denen die Verstärkungsfadenlagen 7, 10 und 12 des Geleges 4 aneinandergedrückt werden, was bei beheizten Walzen 17 zum Verschmelzen des Klebstoffs 14 führt. Der nach dem Passieren der Walzen 17 verschmolzene Klebstoff 14b ist in 3 schematisch in Form von rechteckigen Flächen dargestellt.
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Bei Verwendung von Injektionsnadeln entsteht die Klebverbindung als stoffschlüssige Verbindung somit immer in zwei Verfahrensschritten. Beim ersten dieser beiden Verfahrensschritte wird der Klebstoff 14 im Gelege 4 positioniert. Beim zweiten, darauffolgenden Verfahrensschritt erfolgt die Verklebung. Zwischen beiden Verfahrensschritten besteht grundsätzlich keine enge zeitliche Abhängigkeit. Es kommt vorzugsweise Schmelzklebstoff 14 zum Einsatz und die eigentliche Verklebung erfolgt immer, nachdem das Gelege 4 fertig aufgebaut ist und der Klebstoff 14 dreidimensional im Gelege eingelagert ist. Das Volumen der Klebstoffpartikel 14a liegt zwischen 0,1 und 0,005 mm3.
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Der Abstand der Klebstoffpartikel 14a ist so groß, dass beim Verschmelzen in der Regel keine Verbindung einzelner Klebstoffpartikel 14b erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Injektionsstelle
- 2
- Tisch
- 3
- Gegenhaltewelle
- 4
- Gelege
- 5
- Injektionsnadelbarre
- 6
- Injektionsnadel
- 7
- (untere) Verstärkungsfadenlage, untere Lage
- 8
- Faden, Kettfaden
- 9
- Produktionsvorschub, Gelegetransport
- 10
- (mittlere) Verstärkungsfadenlage
- 11
- Faden, Schussfaden
- 12
- (obere) Verstärkungsfadenlage
- 13
- Faden, Kettfaden
- 14
- Schmelzklebstoff, Klebstoff, Bindemittel, Bindemittelpartikel
- 14a
- Schmelzklebstoff in nicht verschmolzenem Zustand, Klebstoffpartikel, Granulat,
- 14b
- verschmolzener Klebstoff, Klebstoffpartikel (nach Verschmelzung)
- 15
- Nadelhub
- 16
- Austrittsöffnung, Austrittsdüse
- 17
- beheizbare Walzen, beheizte Walzen, Verbindungsstation
