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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von maschenfreien multiaxialen Gelegen sowie maschenfreie multiaxiale Gelege, die durch ein solches Verfahren erhalten werden.
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Bisher wurde bei der Herstellung eines multiaxialen Fadengeleges (MAG) ein Maschenfadensystem verwendet, um die parallel liegenden Verstärkungsfadenlagen untereinander in der zuvor abgelegten Position zu fixieren. Die Einbringung des Maschenfadens in die Struktur führt in bisher bekannten Verfahren regelmäßig zu einer Schädigung des Fasermaterials. Des Weiteren wird der Faserwinkel der Verstärkungsfadenlagen durch die Wirkelemente und die Ausbildung eines großflächigen Maschensystems negativ beeinflusst. Typische Fehlerbilder sind sogenannte „Fish-Eyes“, das heißt ovale Öffnungen in der Struktur, und ausgeprägte Gassenbildung.
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Die aktuellen Produktionsgeschwindigkeiten von industriell verwendeten Maschinen stellen hohe mechanische Anforderungen an die Einzelkomponenten. Auf Grund physikalischer Beschränkungen können diese Bewegungsabläufe nicht signifikant, das heißt nicht um mehr als 30 %, gesteigert werden. Durch die Substitution des Maschenfadensystems durch ein geeignetes Bindersystem können die aufgezeigten Defizite vermieden werden.
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Das Maschenfadensystem wird derzeit im industriellen Maßstab speziell an den jeweiligen Anwendungsfall sowohl in der Materialauswahl und in der Garnfeinheit als auch durch die Bindungsart angepasst. Spezielle maschinenbauliche Lösungen, wie zum Beispiel mitbewegte Nadeln (walking needle), reduzieren die beschriebenen Strukturstörungen.
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Alternativ zu Maschenfadensystemen werden auch Vliesstoffe zur vollständigen Fixierung der Einzellagen verwendet. Dadurch wird ein hoher Bindemittelanteil in die Struktur eingebracht. Vollflächige Sprühsysteme zur Fixierung der Verstärkungslagen sind bekannt.
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Die Anpassung des Maschenfadensystems ermöglicht zwar eine Reduzierung der beschriebenen Strukturdefizite, kann diese jedoch nicht vollständig verhindern. Die Auslenkung der gestreckten Faserlagen durch das unter Spannung stehende Maschenfadensystem besteht weiterhin. Mitbewegte Nadeln erfordern komplexe mechanische Bewegungsabläufe, wodurch die Steigerung der Produktivität limitiert wird. Aus der vollflächigen Fixierung der Verstärkungsfadenlagen durch Vliesstoffe und Sprühsysteme resultiert eine verminderte Bewegungsfreiheit der Verstärkungslagen während der Handhabung, das heißt der textile Charakter der Struktur ist stark reduziert. In der späteren Verwendung der Halbzeuge für die Faserkunststoffverbundherstellung führt zusätzlich der erhöhte Binderanteil zu einem reduzierten Leichtbaunutzen und zu reduzierten strukturmechanischen Eigenschaften.
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Die
DE 698 14 129 T2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen für Formpressverfahren. Es wird dabei insbesondere ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Vielzahl von Tauen aus unidirektionalen Fasern zunächst einen Kamm zur Ausrichtung der Fasern und anschließend zwei Reihen von Rüttelwalzen durchläuft. Zur Verbesserung von Faserausrichtung und Tauintegration werden die beiden Walzen an jedem Ende der Reihen in einer Richtung senkrecht zur Faserrichtung gerüttelt. Bei Verlauf 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. Die Harzfilmgitterschichten werden auf beide Seiten der unidirektional ausgerichteten Fasern übertragen. Die unidirektional ausgerichteten Fasern, die auf beiden Seiten mit Harzfilmgitter beschichtet sind, werden dann über eine auf dieselbe Temperatur wie die Walzen aufgeheizte Platte geführt, um das Harz auf den Fasern zum Schmelzen zu bringen, wodurch sich das unidirektionale Faserband ergibt. Das unidirektionale Faserband umfasst dann unidirektionale Fasern, die beidseitig mit Harzfilmgitter auf Abziehpapier bedeckt sind. Das unidirektionale Faserband wird dann durch Walzen geleitet, wo die untere Abziehpapierschicht entfernt und anschließend auf die Aufnahmewalze aufgerollt wird. Das unidirektionale Faserband mit der oberen Abziehpapierschicht wird dann auf die Aufnahmewalze aufgerollt.
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In der
DE 10 2011 087 050 A1 ist eine Legemaschine zum Aufeinanderlegen einer Mehrzahl von im Wesentlichen biegeschlaffen Materialbahnen beschrieben, die eine Unterlage aufweist, auf welcher eine Mehrzahl von Materialbahnen aufeinander legbar sind. Hierbei umfasst die Legemaschine eine Klebstoff-Auftragseinrichtung, mittels welcher ein Klebstoff oder ein Binder partiell auf eine Materialbahn aufbringbar ist. Die Klebstoff-Auftragseinrichtung und/oder eine Steuerung der Klebstoff-Auftragseinrichtung ist beziehungsweise können derart ausgebildet beziehungsweise eingerichtet sein, dass der Klebstoff oder der Binder auf die Materialbahn auf vorbestimmte Punkte oder Stellen lokal begrenzt aufbringbar ist.
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In der
DE 10 2009 044 833 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbundbauteil beschrieben. Das Faserverbundbauteil weist zwei oder mehr Faserverstärkungsschichten auf, wobei zwischen wenigstens zwei Faserverstärkungsschichten Bindemittel angeordnet ist. Die Faserverstärkungsschichten sind durch lokal angeschmolzenes Bindemittel miteinander verbunden, wobei der Anteil an Bindemittel bei 15 Gewichtsprozent oder weniger liegt. Bei den Faserverstärkungsschichten kann es sich um einzelne, ein Gelege bildende Lagen, Gelege, Gewebe, Gestricke, Vliese, Matten oder Geflechte oder Kombinationen davon handeln.
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Die
DE 10 2007 032 904 B3 betrifft die Handhabung und Gestaltung von textilen Preforms. Insbesondere wird der Aufbau einer dreidimensionalen Preform beschrieben. Dabei werden textile Flächengebilde fixiert, die im Vorfeld hergestellt, zugeschnitten und konturgerecht aufeinandergestapelt werden.
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Die
EP 2 607 038 A2 beschreibt die Fixierung mehrerer fertiger Multiaxialgelege beziehungsweise Flächengebilde als Vorbereitung für eine dreidimensionale Form.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein hochproduktives Verfahren bereitzustellen, mit dem die Verstärkungsfadenlagen gezielt untereinander lokal verbunden werden können. Eine Beeinflussung der Ausrichtung von Verstärkungsfadenlagen sowie typische Fehlerbilder in der Struktur sollen dabei vermieden werden. Des Weiteren sollen 0°-Verstärkungsfadenlagen, das heißt Verstärkungsfadenlagen in Produktionsrichtung, sogenannte Kettfäden, an beliebiger Stelle in die Struktur integriert werden können, um eine lagensymmetrische Strukturkonstruktion zu ermöglichen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung von maschenfreien multiaxialen Gelegen nach Anspruch 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche 2 bis 7 betreffen bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Verfahren wird in Verfahrensschritt a) zunächst eine Verstärkungsfadenlage in einem definierten Winkel zwischen 0 Grad und ±90 Grad, bezogen auf die Produktionsrichtung, abgelegt. In einem darauffolgenden Verfahrensschritt b) erfolgt auf die so vorbereitete Verstärkungsfadenlage durch ein steuerbares Bindemittelauftragssystem ein partieller Auftrag von Bindemittel, so dass ein Bindemittelauftragsmuster aus lokal begrenzten Auftragsstellen des Bindemittels auf der Verstärkungsfadenlage entsteht. Nach Auftrag des Bindemittels wird in einem Verfahrensschritt c) eine weitere Verstärkungsfadenlage auf die vorbereitete, partiell mit Bindemittel versehene Verstärkungsfadenlage in einem definierten Winkel zwischen 0 Grad und ±90 Grad, bezogen auf die vorbereitete, partiell mit Bindemittel versehene Verstärkungsfadenlage, zugeführt. Schließlich werden im nächsten Verfahrensschritt d) die beiden Verstärkungsfadenlagen über das partiell aufgetragene Bindemittel miteinander verbunden. Erfindungsgemäß erfolgt eine Dosierung des partiellen Auftrags von Bindemittel derart, dass der Anteil an Bindemittel im entstehenden multiaxialen Gelege weniger als 4 Massen-% beträgt.
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Dadurch, dass der Bindemittelanteil unter 4 Massen-% beträgt, bleibt der textile Charakter der Struktur erhalten. Durch einen variablen Bindemittelauftrag wird die gezielte Beeinflussung der daraus resultierenden Struktureigenschaften während des Prozesses möglich. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine schädigungsfreie Verbindung der Verstärkungsfadenlagen und erlaubt eine Steigerung der Produktivität um 100 %.
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Gemäß der Konzeption der Erfindung werden somit ausgewählte Bindemittelsysteme – in definierter Menge und lokal begrenzt – zwischen die Verstärkungsfadenlagen eingebracht, wobei auf eine vorbereitete Verstärkungsfadenlage durch ein Bindemittelauftragssystem ein definiertes Bindemittelauftragsmuster appliziert wird. Das Bindemittelauftragssystem ist in seinen Eigenschaften, zum Beispiel der Bindemitteldosierung und des Ortes des Auftrags, während des Prozesses steuerbar, so dass gezielt Struktureigenschaften beeinflusst werden können. Die gezielte Applikation der Bindungsstellen, sowohl hinsichtlich deren Größe als auch deren Position, ermöglicht eine definierte Ausbildung von Gradienteneigenschaften innerhalb der Struktur.
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Vorteilhaft können zur Herstellung eines maschenfreien multiaxialen Geleges die Verfahrensschritte a) bis d) beliebig oft wiederholt werden, wobei eine beliebige Kombination von aufeinanderfolgenden Verstärkungslagen in einem beliebigen Winkel im Bereich von 0 Grad bis ±90 Grad zueinander möglich ist.
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Gemäß der Erfindung ist die vorbereitete, partiell mit Bindemittel versehene Verstärkungsfadenlage eine Schussfadenlage, die über eine Schussfadentransportkette in Produktionsrichtung transportiert wird, und die darauffolgende Verstärkungsfadenlage eine Kettfadenlage. Die Verstärkungsfadenlagen können auf der Grundlage einer bestehenden Maschinentechnik durch modifizierte Schussfadeneintragssysteme in einem definierten Winkel abgelegt werden.
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Dabei erfolgt in Verfahrensschritt b) während des Auftrags des Bindemittels auf die Schussfadenlage erfindungsgemäß eine vorübergehende Erhöhung der Schussfadenspannung in Faserrichtung durch eine, unmittelbar vor dem Bindemittelauftrag bis zu dessen Fixierung, Auslenkung der Schussfadentransportkette orthogonal zur Produktionsrichtung, um die vorgesehene Dosierung des Bindemittelauftrags sicherzustellen. Bevorzugt ist die Schussfadenlage eine 90°-Verstärkungsfadenlage und es erfolgt unmittelbar nach Auftrag des Bindemittels auf die vorbereitete Schussfadenlage die Zuführung einer 0°-Kettfadenlage.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die aufeinanderfolgenden Verstärkungsfadenlagen mittels Konsolidierwalzen miteinander verbunden. Das Bindemittelauftragsmuster ist vorzugsweise ein Bindemittelpunktmuster, so dass die in beliebigen Winkeln ausgerichteten Verstärkungsfadenlagen mittels punktförmiger Verbindungen, das heißt Bindungspunkten, untereinander lokal verbunden werden. Der Bindemittelauftrag kann hinsichtlich der Größe und der Position der Auftragsstellen variabel erfolgen. Entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Bindemittelauftragsmuster durch ein Düsensystem aufgetragen.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in der maschenfreien Fixierung von verschiedenen, in beliebigen Winkeln ausgerichteten Verstärkungsfadenlagen mittels vorzugsweise punktförmiger Verbindung untereinander. Dabei können 0°-Verstärkungsfadenlagen, im Gegensatz zum Stand der Technik bei der Gelegeherstellung, an beliebiger Stelle des Gelegeherstellungsprozesses zugeführt werden. Darüber hinaus sind lagensymmetrische Strukturen mit mehr als einer 0°-Verstärkungsfadenlage realisierbar.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein maschenfreies multiaxiales Gelege, welches durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhalten wird. Mit diesem Verfahren hergestellte Strukturen sind durch eine Vermeidung von Faserschädigungen, durch eine hochproduktive Herstellbarkeit, die Ausbildung eines anforderungsgerechten Eigenschaftsprofils, einen lagensymmetrischen Aufbau sowie durch bessere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen multiaxialen Gelegen (MAG) gekennzeichnet. Durch einen verfahrensbedingt stark reduzierten Umrüstaufwand ist eine flexible Verarbeitung unterschiedlicher Fasermaterialien gegeben. Die Summe der genannten Struktureigenschaften ermöglicht die volle Ausnutzung des bestehenden Leichtbaupotenzials und ist bezüglich der strukturmechanischen Eigenschaften vergleichbar mit unidirektionalen vorimprägnierten textilen Halbzeugen, sogenannten UD-Prepregs.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale 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 Vorrichtung für die Herstellung von maschenfreien multiaxialen Gelegen,
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2: ein punktförmiger Auftrag eines Bindemittels auf die Verstärkungsfadenlage durch ein Düsensystem und
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3: ein Bindemittelauftragsmuster zur Realisierung von Gradienteneigenschaften.
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Die 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 bzw. Arbeitsstelle 1 für die Herstellung von maschenfreien multiaxialen Gelegen. Die Verstärkungsfadenlagen 2, 3 werden auf Grundlage einer bestehenden Maschinentechnik durch modifizierte Schussfadeneintragssysteme in definiertem Winkel, bezogen auf die Produktionsrichtung 4, angezeigt durch den Pfeil 4, abgelegt. Die 1 zeigt dabei die Schussfadenlage 2 als 90°-Verstärkungsfadenlage auf einer Schussfadentransportkette 5. Auf die so vorbereitete Schussfadenlage 2 erfolgt durch ein steuerbares Bindemittelauftragssystem ein partieller Auftrag von Bindemittel 6, so dass ein definiertes Bindemittelauftragsmuster 7, in diesem Falle ein Bindemittelpunktmuster 7, entsteht. Das steuerbare Bindemittelauftragssystem umfasst dabei ein Düsensystem, umfassend mehrere Bindemittelauftragsköpfe 8 mit Düsen 9, mit denen Bindemittel 6 punktförmig auf die vorbereitete Schussfadenlage 2 appliziert wird.
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Während des Prozesses erfolgt eine definierte Auslenkung der Schussfadentransportkette 5 orthogonal zur Produktionsrichtung 4. Aus dieser gezielten Beeinflussung resultiert eine kurzzeitige Erhöhung der Schussfadenspannung zur Sicherstellung eines definierten partiellen Bindemittelauftrags. Unmittelbar nach der Applikation des Bindemittels 6 erfolgt die Zuführung einer 0°-Verstärkungsfadenlage, der Kettfadenlage 3, auf die vorbereitete Schussfadenlage 2. Mittels Konsolidierwalzen 10 werden beide Verstärkungsfadensysteme 2, 3 über das Bindemittel 6 miteinander verbunden. Wie die 1 zeigt, werden die Kettfäden 3, die vor der Verbindung mit den Schussfäden 2 vertikal nach oben ausgerichtet sind, mit den Konsolidierwalzen 10 auf die vertikal orientierten Schussfadenlagen 2 gedrückt. Die Zuführung der 0°-Verstärkungsfadenlage kann an beliebiger Stelle im Prozess erfolgen. Dieses Verfahren ermöglicht eine beliebige Kombination von aufeinanderfolgenden Verstärkungsfadenlagen 2, 3 in beliebigem Winkel.
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Auch die 2 zeigt, wie auf eine Verstärkungsfadenlage 2 durch ein steuerbares Bindemittelauftragssystem ein definiertes Bindemittelpunktmuster 7 durch ein Düsensystem mit Bindemittelauftragsköpfen 8 und Düsen 9 punktförmig appliziert wird. Dieses Bindemittelauftragssystem ist in seinen Eigenschaften, wie der Bindemitteldosierung und dem Ort des Bindemittelauftrags, das heißt hinsichtlich der Auftragsstellen 6 des Bindemittels 6, während des Prozesses steuerbar, so dass gezielt Struktureigenschaften beeinflusst werden können.
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Die 3 zeigt ein entsprechendes Bindemittelpunktmuster 7 auf einer Verstärkungsfadenlage 2. Dieses Bindemittelauftragsmuster 7 mit regelmäßigen und unregelmäßigen Abständen zwischen den Auftragsstellen 6 des Bindemittel 6 dient der Realisierung von Gradienteneigenschaften.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung, Arbeitsstelle
- 2
- Verstärkungsfadenlage, Verstärkungsfadensystem, Schussfadenlage, Schussfäden
- 3
- Verstärkungsfadenlage, Verstärkungsfadensystem, Kettfadenlage, Kettfäden
- 4
- Produktionsrichtung, Pfeil
- 5
- Schussfadentransportkette
- 6
- Bindemittel, Auftragsstellen des Bindemittels 6,
- 7
- Bindemittelauftragsmuster, Bindemittelpunktmuster
- 8
- Bindemittelauftragsköpfe
- 9
- Düsen
- 10
- Konsolidierwalzen
