DE102014225334A1

DE102014225334A1 - Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs, textiles Halbzeug sowie Vorrichtung zur Herstellungeines textilen Halbzeugs

Info

Publication number: DE102014225334A1
Application number: DE102014225334.9A
Authority: DE
Inventors: Simon Bickerton; Jan Hodde; Stefan Josef Stanglmaier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs (22) mit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Verstärkungsfasern (12, 12'), insbesondere Kohlefasern, zur Verwendung als Verstärkungslage für ein faserverstärktes Kunststoffteil, weist folgende Schritte auf: Vorsehen einer flächigen Fasermatte (10), die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Verstärkungsfasern (12, 12') aufweist; lokales Erzeugen von Haftverbindungen zwischen den Verstärkungsfasern (12, 12') in sich entlang der Richtung der Verstärkungsfasern (12, 12') erstreckenden länglichen Schnittbereichen (18), in denen spätere Beschnittkanten (24) des textilen Halbzeugs (22) verlaufen; und Beschneiden der Fasermatte (10) zur Bildung des textilen Halbzeugs (22), wobei zumindest die entlang der Richtung der Verstärkungsfasern (12, 12') verlaufenden Schnitte in den Bereichen der Haftverbindungen erfolgen. Weiterhin werden ein textiles Halbzeug (22) sowie eine Vorrichtung zu dessen Herstellung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs mit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlefasern, zur Verwendung als Verstärkungslage für ein faserverstärktes Kunststoffteil. Weiterhin betrifft die Erfindung ein textiles Halbzeug zur Verwendung als Verstärkungslage für ein faserverstärktes Kunststoffteil, das im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Verstärkungsfasern sowie wenigstens eine entlang der Richtung der Verstärkungsfasern verlaufende Beschnittkante aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung wenigstens eines textilen Halbzeugs.
Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffteile, die z. B. im Fahrzeugbau eingesetzt werden, werden textile Verstärkungsmaterialien, meist in Form von Halbzeugen, in ein auch als Harz bezeichnetes Kunststoffmaterial eingebettet, beispielsweise durch sogenanntes Resin-Transfer-Molding (RTM), Harzinfusion, Nasspressen oder Laminieren.
Als Verstärkungsmaterialien finden üblicherweise textile Gelege oder Gewebe in Mattenform Verwendung, die mit dem benötigten Lagenaufbau gefertigt und zugeschnitten werden.
Insbesondere bei der Verwendung von Fasermatten mit parallel zueinander ausgerichteten Verstärkungsfasern steht man beim Längsbeschnitt, also dem Beschnitt der Matte entlang der Verstärkungsfaserrichtung, dem Problem gegenüber, dass man dabei Wirkfäden durchtrennt und dadurch die äußerste Faser bzw. das äußerste Faserbündel freilegt. Dies ist in 1 illustriert. Die Fasermatte 1 ist hier als Gelege mit parallel zueinander ausgerichteten Bündeln aus Verstärkungsfasern 2, 2', welche durch Wirkfäden 4 zusammengehalten sind, ausgebildet. Zur Fertigung des textilen Halbzeugs wird die Fasermatte 1 entlang einer parallel zur Verstärkungsfaserrichtung verlaufenden Beschnittkante 6 beschnitten (1a). Wie aus 1b ersichtlich, ist nach dem Beschneiden das äußerste Bündel aus Verstärkungsfasern 2' nicht mehr am Gelege fixiert, da die entsprechenden Wirkfäden 4 beim Beschneiden durchtrennt wurden, so dass dieses Bündel während der weiteren Verarbeitung vom Gelege abfallen kann. Dies führt unter anderem dazu, dass insbesondere Kanten, die später im Inneren des Bauteils liegen, bei der weiteren Verarbeitung nicht genau genug im Werkzeug abgelegt werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Herstellung eines textilen Halbzeugs sowie ein textiles Halbzeug bereitzustellen, bei denen die vorstehend erläuterte Problematik vermieden wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist dazu ein Verfahren der eingangs genannten Art die folgenden Schritte auf:

a) Vorsehen einer flächigen Fasermatte, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Verstärkungsfasern aufweist;
b) lokales Erzeugen von Haftverbindungen zwischen den Verstärkungsfasern in sich entlang der Richtung der Verstärkungsfasern erstreckenden länglichen Schnittbereichen, in denen spätere Beschnittkanten des textilen Halbzeugs verlaufen; und
c) Beschneiden der Fasermatte zur Bildung des textilen Halbzeugs, wobei zumindest die entlang der Richtung der Verstärkungsfasern verlaufenden Schnitte in den Bereichen der Haftverbindungen erfolgen.

Durch die Erzeugung von Haftverbindungen zwischen den Verstärkungsfasern in den Bereichen, in denen Beschnittkanten entlang der Faserrichtung verlaufen, werden die Fasern bzw. Faserbündel stabilisiert und aneinander fixiert, wodurch ein Ablösen bzw. Herausfallen der äußersten Faser bzw. des äußersten Faserbündels (auch als Roving bezeichnet) bei der Weiterverarbeitung wirkungsvoll verhindert wird. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine örtliche Kantenstabilisierung bei gleichbleibender Imprägniergüte der flächigen Lagen, da die Haftverbindungen nur lokal im Bereich der entlang der Verstärkungsfaserrichtung verlaufenden Beschnittkante(n) vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur bei einem textilen Verstärkungsmaterial mit ausschließlich parallel zueinander verlaufenden Fasern von Vorteil, denkbar ist auch der Einsatz bei einem Gewebe, bei dem auch Fasern senkrecht oder in einem spitzen Winkel zu den anderen verlaufen. Auch hier stellt sich nämlich das Problem, dass bei einem Beschnitt entlang einer Faserrichtung die äußerste Faser bzw. das äußerste Faserbündel nicht mehr sicher fixiert ist.
Ebenso ist das Verfahren nicht auf die Herstellung eines einzigen textilen Halbzeugs beschränkt; vorzugsweise werden aus einer Fasermatte gleichzeitig mehrere Halbzeuge durch Beschnitt gefertigt.
Anstelle von Kohlefasern, die auch als Karbonfasern bezeichnet werden, können natürlich auch Glasfasern oder Aramidfasern verwendet werden.
Bevorzugt handelt es sich bei der Fasermatte um ein Gelege, insbesondere ein unidirektionales Gelege, und/oder die Verstärkungsfasern sind durch quer zu ihnen verlaufende Wirkfäden aneinander befestigt. Werden dann bei einem Beschnitt entlang der Verstärkungsfaserrichtung die Wirkfäden durchtrennt, wird durch die vor dem Beschnitt vorgesehenen Haftverbindungen ein Herausfallen der äußersten Faser bzw. des äußersten Faserbündels verhindert. Hierbei ist zu beachten, dass im Sinne der Erfindung unter „quer” sowohl senkrecht als auch schräg zu verstehen ist, die Wirkfäden also unter einem rechten oder spitzen Winkel zur Richtung der Verstärkungsfasern verlaufen können.
Alternativ kann es sich bei der Fasermatte natürlich auch um ein Gewebe handeln, insbesondere ein sogenanntes unidirektionales Gewebe, bei dem die Kettfäden aus Verstärkungsfasern bestehen, während die Schussfäden durch dünnere Fäden gebildet sind, die lediglich zur Fixierung der Verstärkungsfasern dienen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Haftverbindungen durch lokales Aktivieren eines zuvor auf die gesamte Fasermatte aufgebrachten Haftmittels erzeugt. Hierbei ist zu beachten, dass nicht zwingend die gesamte Oberfläche der Fasermatte mit dem Haftmittel bedeckt sein muss, es ist auch denkbar, das Haftmittel z. B. auf die Matte aufzustreuen, so dass eine nicht durchgängige Schicht erzeugt wird.
Insbesondere handelt es sich bei dem Haftmittel um einen Binder, der bei der Fertigung textiler Halbzeuge als Verstärkungslagen für faserverstärkte Kunststoffteile oftmals standardmäßig global auf die gesamte Fasermatte aufgebracht wird.
Ebenso ist natürlich die Verwendung eines Klebstoffs als Haftmittel möglich.
Das Haftmittel wird vorzugsweise durch Erwärmen aktiviert. Dies geschieht nur lokal in den Bereichen, in denen die Haftverbindungen erzeugt werden sollen, während das Haftmittel in den weiteren Bereichen der Fasermatte zumindest zunächst inaktiv bleibt.
Eine technisch besonders einfach realisierbare Ausgestaltung ergibt sich, wenn das Haftmittel im gesamten länglichen Schnittbereich aktiviert wird, insbesondere wobei längs der Fasermatte mehrere Schnittbereiche nebeneinander und beabstandet zueinander liegen und in allen diesen Schnittbereichen das Haftmittel aktiviert wird. Dies kann beispielsweise mit einer beheizten Walze geschehen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung sind bei einem textilen Halbzeug der eingangs genannten Art entlang der Beschnittkante Haftverbindungen zur fokalen Fixierung und/oder Stabilisierung der Verstärkungsfasern vorgesehen, die durch lokales Aktivieren eines auf das gesamte Halbzeug aufgebrachten Haftmittels erzeugt sind, insbesondere wobei die Verstärkungsfasern unidirektional angeordnete Fasern sind, die durch quer zu ihnen verlaufende Wirkfäden aneinander befestigt sind. Bei einem solchen textilen Halbzeug ist ein unerwünschtes Herausfallen der entlang der Beschnittkante verlaufenden äußersten Verstärkungsfaser bzw. des Verstärkungsfaserbündels wirkungsvoll verhindert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung handelt es sich bei dem Haftmittel um einen Binder, der durch Erwärmen lokal aufgeschmolzen ist. Ein solcher Binder wird üblicherweise global auf die Fasermatte aufgebracht. Erfindungsgemäß wird der Binder vor dem Beschneiden der Fasermatte zum textilen Halbzeug lokal aufgeschmolzen, was für die gewünschte Fixierung sowie Stabilisierung der Fasern längs der Beschnittkante sorgt.
Alternativ ist die Verwendung eines geeigneten Klebstoffs denkbar.
Vorzugsweise ist das Haftmittel entlang der gesamten Beschnittkante streifenförmig aktiviert. Dies lässt sich beispielsweise mit einer beheizten Walze konstruktiv einfach erreichen. Alternativ ist auch eine punktuelle Aktivierung entlang der Beschnittkante denkbar.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung wenigstens eines textilen Halbzeugs aus einer flächigen Fasermatte mit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Verstärkungsfasern und einem auf der gesamten Seite der Fasermatte verteilt aufgebrachten Haftmittel zur Verwendung als Verstärkungslage für ein faserverstärktes Kunststoffteil, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: ein Transportband zum Transport der Fasermatte, eine Schneideinrichtung mit wenigstens einem, insbesondere mehreren Schneidköpfen, der bzw. die die Fasermatte parallel zur Richtung der Verstärkungsfasern beschneiden, und eine Fixiereinrichtung, die der Schneideinrichtung in Transportrichtung vorgelagert ist und wenigstens eine, insbesondere mehrere Aktivierungseinheiten für das Haftmittel aufweist, wobei jedem Schneidkopf eine Aktivierungseinheit zugeordnet ist, die sich senkrecht zur Richtung der Verstärkungsfasern auf gleicher Position befindet. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, lassen sich am Rand des textilen Halbzeugs liegende Fasern bzw. Faserbündel fixieren, was für eine lokale Stabilisierung der Beschnittkante sorgt. Zudem lassen sich in einem Arbeitsgang aus einer Fasermatte mehrere textile Halbzeuge gleichzeitig fertigen, wenn mehrere Schneidköpfe und mehrere Aktivierungseinheiten vorgesehen sind. Hierbei ist jedem Schneidkopf eine Aktivierungseinheit vorgelagert, die das Haftmittel genau in dem Bereich aktiviert, in dem anschließend der Beschnitt durch den Schneidkopf erfolgt.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Aktivierungseinheiten und die Schneidköpfe senkrecht zur Verstärkungsfaserrichtung verfahrbar ausgebildet. In diesem Fall können nicht nur textile Halbzeuge mit einer fest vorgegebenen Breite hergestellt werden, sondern die Breite ist frei definierbar.
Insbesondere ist das Haftmittel ein Binder und die Aktivierungseinheit z. B. eine beheizte Walze.
Des Weiteren gelten sämtliche mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren genannten Weiterbildungen und Vorteile auch für das textile Halbzeug sowie die Vorrichtung zur Herstellung des textilen Halbzeugs und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines textilen Halbzeugs gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines textilen Halbzeugs; und
3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung textiler Halbzeuge.
2 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs. Zunächst wird eine flächige Fasermatte 10 bereitgestellt (siehe 2a), die hier als unidirektionales Gelege ausgebildet ist und zahlreiche im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Verstärkungsfasern 12, 12' in Form von Verstärkungsfaserbündeln aus Kohlefasern aufweist.
Die Bündel aus Verstärkungsfasern 12, 12' sind durch Wirkfäden 14 aneinander befestigt, die quer, hier insbesondere schräg, d. h. unter einem spitzen Winkel von etwa 70°, zu den Verstärkungsfasern 12, 12' verlaufen. Natürlich könnten die Wirkfäden 14 auch senkrecht zu den Verstärkungsfasern 12, 12' angeordnet sein, ebenso wie anstelle des gezeigten Geleges auch ein Gewebe aus Verstärkungsfasern 12, 12' denkbar wäre. Auf die Fasermatte 10 wurde ein Haftmittel 16 in Form eines Binders aufgebracht, beispielsweise durch Aufstreuen auf die Oberseite der Fasermatte 10.
In einem nächsten Schritt, der in 2b illustriert ist, werden in einem länglichen Schnittbereich 18, der sich entlang der Verstärkungsfaserrichtung erstreckt, lokal Haftverbindungen zwischen den Verstärkungsfasern 12, 12' erzeugt, indem das Haftmittel 16 in Form des Binders durch Erwärmen mittels einer beheizten Walze 20 lokal aktiviert wird. Dies geschieht im gesamten länglichen Schnittbereich 18.
Anschließend wird, wie in 2c dargestellt, die Fasermatte 10 zur Bildung des textilen Halbzeugs 22 im Schnittbereich 18 entlang einer Beschnittkante 24 beschnitten, die in Richtung der Verstärkungsfasern 12, 12' verläuft. Durch das Haftmittel 16, das im Schnittbereich 18 aktiviert wurde und daher die Verstärkungsfasern fixiert, wird ein Herausfallen der an der Beschnittkante 24 liegenden äußersten Verstärkungsfasern 12' verhindert.
Somit erhält man ein textiles Halbzeug 22 zur Verwendung als Verstärkungslage für ein faserverstärktes Kunststoffteil, das im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Verstärkungsfasern 12, 12' aufweist. Entlang der Richtung der Verstärkungsfasern 12, 12' verläuft zumindest eine Beschnittkante 24, wobei Haftverbindungen zur lokalen Fixierung und/oder Stabilisierung der Verstärkungsfasern 12' entlang der Beschnittkante 24 vorgesehen sind.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 26 zur Herstellung des textilen Halbzeugs 22, die insbesondere zur industriellen Fertigung mehrerer textiler Halbzeuge 22 in einem Arbeitsgang geeignet ist. Die Vorrichtung 26 weist ein Transportband 28 zum Transport der Fasermatte 10 auf, die als Rolle 29 in die Vorrichtung 26 eingelegt wird.
Weiterhin ist eine Schneideinrichtung 30 mit mehreren Schneidköpfen 32 vorgesehen, die die Fasermatte 10 parallel zur Richtung der Verstärkungsfasern 12, 12' beschneiden. In Transportrichtung T ist der Schneideinrichtung 30 eine Fixiereinrichtung 34 vorgelagert, die mehrere Aktivierungseinheiten 36 mit je einer beheizten Walze 20 aufweist.
Dabei ist jedem Schneidkopf 32 eine Aktivierungseinheit 36 zugeordnet, die sich senkrecht zur Verstärkungsfaserrichtung bzw. senkrecht zur Transportrichtung T auf gleicher Position befindet. So wird beim Transport der Fasermatte 10 auf dem Transportband 28 zunächst das auf der Fasermatte 10 vorgesehene Haftmittel 16 (hier ein Binder) durch Erwärmen mit den Walzen 20 aufgeschmolzen.
Beim anschließenden Weitertransport wird die Fasermatte 10 in den Schnittbereichen 18, in denen der Binder aktiviert wurde, von den Schneidköpfen 32 in mehrere (hier vier) längliche textile Halbzeuge 22 zerteilt.
Hierbei ist zu beachten, dass sowohl die Aktivierungseinheiten 36 als auch die Schneidköpfe 32 senkrecht zur Verstärkungsfaserrichtung verfahrbar an der Fixiereinrichtung 34 bzw. der Schneideinrichtung 30 angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich mit der Vorrichtung 26 nicht nur textile Halbzeuge 22 mit einer fest vorgegebenen Breite herstellen, sondern die Breite ist frei definierbar.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeugs (22) mit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Verstärkungsfasern (12), insbesondere Kohlefasern, zur Verwendung als Verstärkungslage für ein faserverstärktes Kunststoffteil, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Vorsehen einer flächigen Fasermatte (10), die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Verstärkungsfasern (12, 12') aufweist; b) lokales Erzeugen von Haftverbindungen zwischen den Verstärkungsfasern (12, 12') in sich entlang der Richtung der Verstärkungsfasern (12, 12') erstreckenden länglichen Schnittbereichen (18), in denen spätere Beschnittkanten (24) des textilen Halbzeugs (22) verlaufen; und c) Beschneiden der Fasermatte (10) zur Bildung des textilen Halbzeugs (22), wobei zumindest die entlang der Richtung der Verstärkungsfasern (12, 12') verlaufenden Schnitte in den Bereichen der Haftverbindungen erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Fasermatte (10) um ein Gelege, insbesondere ein unidirektionales Gelege, handelt und/oder dass die Verstärkungsfasern (12, 12') durch quer zu ihnen verlaufende Wirkfäden (14) aneinander befestigt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftverbindungen durch lokales Aktivieren eines zuvor auf die gesamte Fasermatte (10) aufgebrachten Haftmittels (16) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Haftmittel (16) um einen Binder handelt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmittel (16) durch Erwärmen aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmittel (16) im gesamten länglichen Schnittbereich (18) aktiviert wird, insbesondere wobei längs der Fasermatte (10) mehrere Schnittbereiche (18) nebeneinander und beabstandet zueinander liegen und in allen diesen Schnittbereichen (18) das Haftmittel (16) aktiviert wird.
Textiles Halbzeug zur Verwendung als Verstärkungslage für ein faserverstärktes Kunststoffteil, insbesondere hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Verstärkungsfasern (12, 12') sowie wenigstens eine entlang der Richtung der Verstärkungsfasern (12, 12') verlaufende Beschnittkante (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Beschnittkante (24) Haftverbindungen zur lokalen Fixierung und/oder Stabilisierung der Verstärkungsfasern (12, 12') vorgesehen sind, die durch lokales Aktivieren eines auf das gesamte Halbzeug (22) aufgebrachten Haftmittels (16) erzeugt sind, insbesondere wobei die Verstärkungsfasern (12, 12') unidirektional angeordnete Fasern sind, die durch quer zu ihnen verlaufende Wirkfäden (14) aneinander befestigt sind.
Textiles Halbzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Haftmittel (16) um einen Binder handelt, der durch Erwärmen lokal aufgeschmolzen ist.
Textiles Halbzeug nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Haftmittel (16) entlang der gesamten Beschnittkante (24) streifenförmig aktiviert ist.
Vorrichtung zur Herstellung wenigstens eines textilen Halbzeugs (22) aus einer flächigen Fasermatte (10) mit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Verstärkungsfasern (12, 12') und einem auf der gesamten Seite der Fasermatte (10) verteilt aufgebrachten Haftmittel (16) zur Verwendung als Verstärkungslage für ein faserverstärktes Kunststoffteil, wobei die Vorrichtung insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 vorgesehen ist und wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: ein Transportband (28) zum Transport der Fasermatte (10), eine Schneideinrichtung (30) mit wenigstens einem, insbesondere mehreren Schneidköpfen (32), der bzw. die die Fasermatte (10) parallel zur Richtung der Verstärkungsfasern (12, 12') beschneiden, und eine Fixiereinrichtung (34), die der Schneideinrichtung (30) in Transportrichtung vorgelagert ist und wenigstens eine, insbesondere mehrere Aktivierungseinheiten (36) für das Haftmittel (16) aufweist, wobei jedem Schneidkopf (32) eine Aktivierungseinheit (36) zugeordnet ist, die sich senkrecht zur Richtung der Verstärkungsfasern (12, 12') auf gleicher Position befindet.