DE102016201366A1

DE102016201366A1 - Faserstrukturband und pultrudiertes Faserverbundstoffprofil

Info

Publication number: DE102016201366A1
Application number: DE102016201366.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Ströhlein; Thomas Weser; Krino Bornemann; Helge Herten; Christian Schönwald
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Faserstrukturband und pultrudiertes Faserverbundstoffprofil, wobei das Faserstrukturband (10) vorgesehen und eingerichtet ist zum Herstellen des Faserverbundstoffprofils (P), so dass eine Breitenrichtung (BR) des Faserstrukturbands zu einer Umfangsrichtung (UR) des Faserverbundstoffprofils korrespondiert und eine Längsrichtung (LR2) des Faserstrukturbands zu einer Längsrichtung des Faserverbundstoffprofils korrespondiert. Das Faserstrukturband weist eine erste Faserschicht (15), welche mit sich längs parallel zu seiner Längsrichtung erstreckenden ersten Fasern (16) gebildet ist, und eine zweite Faserschicht (20) auf, welche auf einer Flächenseite der ersten Faserschicht angeordnet und an dieser fixiert ist und welche mit sich längs winklig zur Längsrichtung des Faserstrukturbands erstreckenden zweiten Fasern (21) gebildet ist. Eine Breitenabmessung der zweiten Faserschicht ist um ein vorbestimmtes Überstandsmaß größer als eine Breitenabmessung der ersten Faserschicht vorgesehen, so dass die zweite Faserschicht in einem Breitenbereich des Faserstrukturbands mit dem Überstandsmaß über die erste Faserschicht hinaus vorsteht. Dadurch ist es möglich, in dem Faserverbundstoffprofil eine direkte umfängliche Überlappung der zweiten Faserschicht zu realisieren und damit die Stabilität des Faserverbundstoffprofils zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserstrukturband zum mittels Pultrusion Herstellen eines Faserverbundstoffprofils und ein pultrudiertes Faserverbundstoffprofil mit mindestens einem solchen Faserstrukturband.
Ein Faserstrukturband zum mittels Pultrusion Herstellen einer Faserverbundstoffstruktur ist z.B. aus DE 10 2005 017 225 A1 bekannt. Dieses Faserstrukturband weist eine erste Faserschicht, welche mit sich längs parallel zu einer Längsrichtung des Faserstrukturbands erstreckenden ersten Fasern gebildet ist, und eine zweite Faserschicht auf, welche auf einer Flächenseite der ersten Faserschicht angeordnet und an der ersten Faserschicht fixiert ist und welche mit sich längs winklig zur Längsrichtung des Faserstrukturbands erstreckenden zweiten Fasern gebildet ist. Jeweilige Breitenabmessungen der ersten und zweiten Faserschichten verlaufen in einer Breitenrichtung des Faserstrukturbands und sind identisch bemessen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Faserstrukturband zum mittels Pultrusion Herstellen eines Faserverbundstoffprofils und ein pultrudiertes Faserverbundstoffprofil mit mindestens einem solchen Faserstrukturband so bereitzustellen, dass eine hohe Stabilität des Faserverbundstoffprofils erzielbar ist.
Dies wird mit einem Faserstrukturband gemäß Anspruch 1 bzw. einem Faserverbundstoffprofil gemäß Anspruch 10 erreicht. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Faserstrukturbands sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Aus Faserverbundstoffprofilen gewonnene Faserverbundstoffprofilteile können z.B. anstelle von Stahlteilen zur Crashaussteifung von Karosseriebauteilen eines Kraftfahrzeugs verwendet werden, um Gewicht einzusparen. Hierbei muss allerdings der Faserlagenaufbau auf die jeweilige Belastung hin ausgelegt werden. Üblicherweise werden dabei sogenannte Nullgradfasern, welche parallel zur Längsrichtung des Faserverbundstoffprofils verlaufen, mit sogenannten Nicht-Nullgradfasern, welche in Umfangsrichtung des Faserverbundstoffprofils verlaufen, kombiniert. Ein wichtiger Aspekt zur Erzielung einer hohen Stabilität des Faserverbundstoffprofils besteht dabei in der umfänglich optimalen Anordnung der Nicht-Nullgradfasern im Faserverbundstoffprofil.
Durch die Erfindung wird ein Faserstrukturband bereitgestellt zum mittels Pultrusion Herstellen eines Faserverbundstoffprofils, so dass eine Breitenrichtung des Faserstrukturbands zu einer Umfangsrichtung des Faserverbundstoffprofils korrespondiert und eine Längsrichtung des Faserstrukturbands zu einer Längsrichtung des Faserverbundstoffprofils korrespondiert. Das Faserstrukturband weist eine erste Faserschicht und eine zweite Faserschicht auf. Die erste Faserschicht ist mit sich längs parallel zur Längsrichtung des Faserstrukturbands erstreckenden ersten Fasern bzw. Nullgradfasern gebildet. Die zweite Faserschicht ist auf einer Flächenseite der ersten Faserschicht angeordnet und an der ersten Faserschicht fixiert. Die zweite Faserschicht ist mit sich längs winklig zur Längsrichtung des Faserstrukturbands erstreckenden zweiten Fasern bzw. Nicht-Nullgradfasern gebildet. Jeweilige Breitenabmessungen der ersten und zweiten Faserschichten verlaufen in Breitenrichtung des Faserstrukturbands. Dabei ist die Breitenabmessung der zweiten Faserschicht um ein vorbestimmtes Überstandsmaß größer als die Breitenabmessung der ersten Faserschicht vorgesehen, so dass die zweite Faserschicht in einem Breitenbereich des Faserstrukturbands mit dem Überstandsmaß über die erste Faserschicht hinaus vorsteht. Dadurch ist es möglich, in dem Faserverbundstoffprofil eine direkte umfängliche Überlappung der zweiten Faserschicht zu realisieren und damit die Stabilität des Faserverbundstoffprofils zu erhöhen.
Bevorzugt sind die ersten und zweiten Faserschichten so aufeinander angeordnet, dass die zweite Faserschicht in Breitenrichtung des Faserstrukturbands nur auf einer Seite mit dem Überstandsmaß über die erste Faserschicht hinaus vorsteht. Außerdem ist bevorzugt die Breitenabmessung der ersten Faserschicht so vorgesehen, dass sie einer Umfangsabmessung des Faserverbundstoffprofils entspricht. Durch diese strukturellen Maßnahmen wird es erleichtert, mit dem Faserstrukturband eine ringförmig geschlossene Umfangsbegrenzung an dem Faserverbundstoffprofil zu erreichen, bei welcher sich im Überlappungsbereich keine Nullgradfasern befinden. Dadurch kann die zweite Faserschicht mit den Nicht-Nullgradfasern (zweiten Fasern) wie eine durchgehende Umfangswicklung des Faserverbundstoffprofils wirken, womit die Stabilität des Faserverbundstoffprofils weiter erhöht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erste Faserschicht an mindestens einer Position in Breitenrichtung des Faserstrukturbands eine sich längs parallel zur Längsrichtung des Faserstrukturbands erstreckende Aussparungsgasse auf, in welcher keine ersten Fasern vorgesehen sind. Durch die mindestens eine Aussparungsgasse wird das Faserstrukturband lokal etwas drapierweicher und kann damit einfacher in die Profilform des Faserverbundstoffprofils eingeformt und stabilisiert werden. Bevorzugt kann an jeder Position, an der im Faserverbundstoffprofil eine richtungsmäßige Umlenkung stattfinden soll, eine solche Aussparungsgasse vorgesehen sein.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auf einer der ersten Faserschicht abgewandten anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht eine Verstärkungsschicht angeordnet und an der zweiten Faserschicht fixiert. Die Verstärkungsschicht deckt auf der anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht zumindest den Breitenbereich, in welchem die zweite Faserschicht über die erste Faserschicht hinaus vorsteht, ab. Bevorzugt erstreckt sich die Verstärkungsschicht auf der anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht über deren volle Breitenabmessung. Außerdem ist die Verstärkungsschicht bevorzugt mit einem Vlies oder einem Kunststoffgitter gebildet. Mit der Verstärkungsschicht lassen sich eine zusätzliche Schubversteifung und Stabilisation der zweiten Faserschicht und des Faserstrukturbands erreichen. Im Ergebnis kann die Stabilität des Faserverbundstoffprofils noch weiter erhöht werden.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung ist zur Schichtfixierung, d.h. zur Fixierung der ersten und zweiten Faserschichten aneinander und ggf. zur Fixierung der Verstärkungsschicht an den ersten und zweiten Faserschichten, eine Vernähung vorgesehen.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in dem Breitenbereich, in welchem die zweite Faserschicht über die erste Faserschicht hinaus vorsteht, die Vernähung in Breitenrichtung mit einer engeren Stichweite als in einem Breitenbereich ausgeführt, in welchem sich die ersten und zweiten Faserschichten überdecken. Damit wird im Überstandsbereich der zweiten Faserschicht eine verbesserte Stabilisierung dieser erzielt.
Durch die Erfindung wird auch ein pultrudiertes Faserverbundstoffprofil bereitgestellt, welches einen Profilkern und mindestens ein Faserstrukturband gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination aufweist. Der Profilkern ist mit sich längs parallel zur Längsrichtung des Faserverbundstoffprofils erstreckenden Kernfasern bzw. Nullgradfasern gebildet und definiert einen Querschnitt des Faserverbundstoffprofils. Das mindestens eine Faserstrukturband begrenzt den Querschnitt des Faserverbundstoffprofils umfänglich geschlossen, wobei zwei entgegengesetzte Längsränder der zweiten Faserschicht in direkter gegenseitiger Überlappung aufeinandergelegt sind. Damit kann eine höhere Stabilität des Faserverbundstoffprofils erzielt werden.
Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden.
1a zeigt eine perspektivische Ansicht eines zum Teil aufgerollten Faserstrukturbandes zum mittels Pultrusion Herstellen eines Faserverbundstoffprofils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
1b zeigt eine Schnittansicht des Faserstrukturbandes von 1a, gesehen entlang einer Schnittlinie A-A in 1a.
1c zeigt eine Querschnittsansicht eines mit dem Faserstrukturband von 1a gebildeten Faserverbundstoffprofils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2a zeigt eine perspektivische Ansicht eines zum Teil aufgerollten Faserstrukturbandes zum mittels Pultrusion Herstellen eines Faserverbundstoffprofils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2b zeigt eine Schnittansicht des Faserstrukturbandes von 2a, gesehen entlang einer Schnittlinie A-A in 2a.
2c zeigt eine Querschnittsansicht eines mit dem Faserstrukturband von 2a gebildeten Faserverbundstoffprofils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3a zeigt eine Querschnittsansicht eines mit zwei Faserstrukturbändern von 2a gebildeten Faserverbundstoffprofils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3b zeigt eine perspektivische Ansicht des Faserverbundstoffprofils von 3a.
4a zeigt eine zu 1b identische Schnittansicht des Faserstrukturbandes von 1a.
4b zeigt eine zu 4a ähnliche Schnittansicht eines Faserstrukturbandes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
4c zeigt eine zu 4a ähnliche Schnittansicht eines Faserstrukturbandes gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung.
4d zeigt eine zu 4a ähnliche Schnittansicht eines Faserstrukturbandes gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
4e zeigt eine zu 4a ähnliche Schnittansicht eines Faserstrukturbandes gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt eine schematische Draufsicht einer Pultrusionslinie zum Herstellen eines Faserverbundstoffprofils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 gemäß Ausführungsformen der Erfindung ausgebildete Faserstrukturbänder zum mittels Pultrusion Herstellen eines Faserverbundstoffprofils sowie gemäß Ausführungsformen der Erfindung ausgebildete pultrudierte Faserverbundstoffprofile beschrieben werden. Zuerst wird dazu unter Bezugnahme auf 5 allgemein eine Pultrusionslinie zum Herstellen von erfindungsgemäßen Faserverbundstoffprofilen beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, weist die Pultrusionslinie 1 als Komponenten ein Spulengatter 2, eine Halbzeugzuführeinrichtung 3, eine Imprägniereinrichtung 4, eine Aushärteinrichtung 5, eine Abzugseinrichtung 6, eine Trenneinrichtung 7 und eine nicht dargestellte Steuereinrichtung zum Steuern der Pultrusionslinie 1 auf. Die Pultrusionslinie 1 umfasst mindestens einen Fertigungsstrang zur Herstellung eines kontinuierlichen Faserverbundstoffprofils P, P', von welchem mittels der Trenneinrichtung 7 Faserverbundstoffprofilteile PT, PT' einer gewünschten Längenabmessung abgelängt werden können, wie in 5 mittels der Volllinien-Pfeile dargestellt. Optional kann jedoch die Pultrusionslinie 1 zur Erhöhung der Herstellungskapazität zusätzliche (hier z.B. drei zusätzliche) solche Fertigungsstränge umfassen, welche parallel zu dem mindestens einen Fertigungsstrang verlaufen, wie in 5 mittels der Strichlinien-Pfeile dargestellt.
Das Spulengatter 2 umfasst für jeden Fertigungsstrang eine Mehrzahl von Faserspulen (nicht dargestellt), auf denen aus mehreren gebündelten Kernfasern 91 (siehe z.B. 3a) gebildete jeweilige Rovings 90 aufgespult sind. Aus dem Spulengatter 2 können somit bei der Herstellung des Faserverbundstoffprofils P, P' mehrere Rovings 90, die jeweils eine Mehrzahl von Kernfasern 91 enthalten, längs herausgezogen werden, um diese monoaxial längs des kontinuierlichen Faserverbundstoffprofils P, P' (in Längsrichtung LR1 der Pultrusionslinie 1 bzw. des Faserverbundstoffprofils P, P') verlaufen zu lassen. Die Kernfasern 91 bilden somit sogenannte Nullgradfasern in dem Faserverbundstoffprofil P, P'.
Die Kernfasern 91 bzw. die Rovings 90 dienen in dem fertigen Faserverbundstoffprofil P, P' zusammen mit als Bindematerial fungierendem Kunststoffmaterial zur Formung eines Profilkerns PK (siehe z.B. 3a), welcher einen Querschnitt des Faserverbundstoffprofils P, P' definiert. Für die Kernfasern 91 kommen bevorzugt Kohlenstofffasern mit hoher Zug- und Druckfestigkeit und einer relativ geringen Dichte zum Einsatz.
Die Halbzeugzuführeinrichtung 3 umfasst für jeden Fertigungsstrang eine Mehrzahl von Halbzeugspulen (nicht dargestellt), auf denen Halbzeuge in Form von erfindungsgemäßen Faserstrukturbändern 10, 10' (siehe z.B. 1a und 2a) aufgespult sind. In der Halbzeugzuführeinrichtung 3 werden die Rovings 90 und die Faserstrukturbänder 10, 10' entsprechend einem vorgegebenen Querschnitt des Faserverbundstoffprofils P, P' zu einem Faserstrang S zusammengeführt, ausgerichtet und vorgeformt.
In der Imprägniereinrichtung 4 wird der Faserstrang S dann mit flüssigem Kunststoffmaterial (nicht separat bezeichnet) als Bindematerial imprägniert bzw. getränkt. In der Aushärteinrichtung 5 wird das im getränkten Faserstrang S enthaltene Kunststoffmaterial ausgehärtet, so dass das Faserverbundstoffprofil P, P' gebildet wird. Die Abzugseinrichtung 6 ist vorgesehen, um bei der Herstellung des Faserverbundstoffprofils P, P' durch Ziehen des Faserverbundstoffprofils P, P' in eine Förderrichtung (in 5 entlang der Längsrichtung LR1 nach rechts) die Zufuhr von Rovings 90 und Faserstrukturbändern 10, 10' sowie die Förderung des Faserstrangs S und des daraus entstehenden Faserverbundstoffprofils P, P' entlang der Förderrichtung zu gewährleisten. Die Trenneinrichtung 7 ist vorgesehen, um das kontinuierliche Faserverbundstoffprofil P, P' in die Faserverbundstoffprofilteile PT, PT' vorbestimmter Länge abzulängen bzw. zu zertrennen.
Nun werden unter Bezugnahme auf die 1a bis 1c gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Faserstrukturband 10 zum mittels Pultrusion Herstellen eines Faserverbundstoffprofils P sowie das entsprechende Faserverbundstoffprofil P beschrieben. Das Faserstrukturband 10 wird in dem Faserverbundstoffprofil P so angeordnet, dass eine Breitenrichtung BR des Faserstrukturbands 10 zu einer Umfangsrichtung UR des Faserverbundstoffprofils P korrespondiert und eine Längsrichtung LR2 des Faserstrukturbands 10 zu der Längsrichtung LR1 des Faserverbundstoffprofils P bzw. der Pultrusionslinie 1 (siehe 3b und 5) korrespondiert.
Das Faserstrukturband 10 weist eine erste Faserschicht 15 und eine zweite Faserschicht 20 auf. Die erste Faserschicht 15 ist mit sich längs parallel zur Längsrichtung LR2 des Faserstrukturbands 10 erstreckenden ersten Fasern 16 gebildet. Die ersten Fasern 16 bilden somit ebenfalls sogenannte Nullgradfasern in dem Faserverbundstoffprofil P. Die zweite Faserschicht 20, welche auf einer Flächenseite der ersten Faserschicht 15 angeordnet und an der ersten Faserschicht 15 fixiert ist, ist mit sich längs winklig zur Längsrichtung LR2 des Faserstrukturbands 10 erstreckenden zweiten Fasern 21 gebildet. Die zweiten Fasern 21 bilden somit sogenannte Nicht-Nullgradfasern in dem Faserverbundstoffprofil P. In dem Faserstrukturband 10 dient die relativ dünne erste Faserschicht 15 zur Aufnahme und Fixierung der zweiten Faserschicht 20, so dass diese in die Pultrusionslinie 1 eingezogen und entlang der Förderrichtung gefördert werden können. Zur Schichtfixierung ist eine Vernähung 25 vorgesehen, welche die ersten und zweiten Faserschichten 15, 20 aneinander fixiert. Ein solches Faserstrukturband 10 lässt sich auf einem üblichen Multiaxialgegeleautomaten fertigen.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die aus dem Faserverbundstoffprofil P gewonnenen Faserverbundstoffprofilteile PT z.B. als Druckstäbe zur Crashaussteifung von Karosseriebauteilen wie z.B. Seitentüren eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) verwendet. Daher sind die zweiten Fasern 21, welche die zweite Faserschicht 20 bilden, in einem Winkel von 90 Grad zur Längsrichtung LR2 des Faserstrukturbands 10 angeordnet, längserstrecken sich also parallel zur Breitenrichtung BR des Faserstrukturbands 10 und damit in Umfangsrichtung UR des Faserverbundstoffprofils P.
In der vorliegenden Ausführungsform kommen für die ersten Fasern 16 der ersten Faserschicht 15 bevorzugt wieder Kohlenstoffasern zum Einsatz. Für die zweiten Fasern 21 der zweiten Faserschicht 20 kommen bevorzugt hochfeste Glasfasern zum Einsatz, welche eine höhere Bruchdehnung als Kohlenstoffasern aufweisen. Mit dieser Materialpaarung kann eine maximale Knicklast bzw. Versagenslast für das Faserverbundstoffprofilteil PT erhöht werden, wenn die 90° Fasern mit hochfesten Glasfasern ausgeführt werden. Zudem brauchen in der Herstellung keine Kohlenstofffasern geschnitten werden, sondern nur die verhältnismäßig kostengünstigen Glasfasern, wodurch die Abfallkosten reduziert werden können.
Wie aus den 1a und 1b ersichtlich, verlaufen jeweilige Breitenabmessungen B2, B3 der ersten und zweiten Faserschichten 15, 20 in Breitenrichtung BR des Faserstrukturbands 10. Dabei ist die Breitenabmessung B3 der zweiten Faserschicht 20 um ein vorbestimmtes Überstandsmaß Z größer als die Breitenabmessung B2 der ersten Faserschicht 15 vorgesehen, so dass die zweite Faserschicht 20 in einem Breitenbereich des Faserstrukturbands 10 mit dem Überstandsmaß Z über die erste Faserschicht 15 hinaus vorsteht. Die Breitenabmessung B3 der zweiten Faserschicht 20 definiert somit die Breitenabmessung B1 des Faserstrukturbands 10.
In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist die Breitenabmessung B2 der ersten Faserschicht 15 so vorgesehen, dass sie einer Umfangsabmessung (siehe 1c) des Faserverbundstoffprofils P entspricht. Die ersten und zweiten Faserschichten 15, 20 sind außerdem so aufeinander angeordnet, dass die zweite Faserschicht 20 in Breitenrichtung BR des Faserstrukturbands 10 nur auf einer Seite mit dem Überstandsmaß Z über die erste Faserschicht 15 hinaus vorsteht. Bevorzugt ist das Überstandsmaß Z mit 8 mm bis 12 mm vorgesehen.
Wie oben erwähnt, werden in der vorliegenden Ausführungsform die aus dem Faserverbundstoffprofil P gewonnenen Faserverbundstoffprofilteile PT z.B. als Druckstäbe zur Crashaussteifung von Karosseriebauteilen wie z.B. Seitentüren eines Kraftfahrzeugs verwendet. Um den Faserlagenaufbau auf die Belastung hin gerecht auszuführen, sollte ein auf Knicken belastetes Druckrohr bzw. Hohlprofil idealerweise etwa zu 80 Prozent (Volumenprozent) aus Nullgradasern und zu 20 Prozent aus mit einem Winkel von 90 Grad zur Längsrichtung des Hohlprofils orientierten Fasern (d.h. quer zur Lastrichtung orientierten Fasern) bestehen. Die 90-Grad-Fasern sollten dabei etwa zur Hälfte ganz außen aus Umfangslagen sowie innen als Beulstütze liegen, während die Nullgradfasern in der Mitte zwischen den 90-Grad-Fasern angeordnet sein sollten.
Daher umfasst, wie aus 1c ersichtlich, das pultrudierte Faserverbundstoffprofil P, welches als Hohlprofil ausgebildet ist, den Profilkern PK, welcher mit den sich längs parallel zur Längsrichtung LR1 des Faserverbundstoffprofils P erstreckenden Kernfasern 91 bzw. Rovings 90 und ausgehärtetem Kunststoffmaterial gebildet ist und welcher den Hohlprofil-Querschnitt des Faserverbundstoffprofils P definiert. Außerdem umfasst das Faserverbundstoffprofil P zur wie o.g. Auslegung das Faserstrukturband 10, welches den Querschnitt des Faserverbundstoffprofils P entsprechend der Außenumfangsabmessung außenumfänglich geschlossen begrenzt. Obwohl in 1c nicht gezeigt, ist bevorzugt außerdem ein zweites solches Faserstrukturband 10 vorgesehen, welches den Querschnitt des Faserverbundstoffprofils P entsprechend der Innenumfangsabmessung innenumfänglich geschlossen begrenzt (siehe hierzu z.B. 3a und 3b).
Um diese ringförmig geschlossene Umfangsbegrenzung zu erreichen, ist die Breitenabmessung B1 des Faserstrukturbands 10 und damit die Breitenabmessung B3 der zweiten Faserschicht 20 so vorgesehen, dass an dem fertigen Faserverbundstoffprofil P zwei entgegengesetzte Längsränder 20.1, 20.2 (siehe 1a) der zweiten Faserschicht 20 an einer Überlappungsstelle 20.3 in direkter gegenseitiger Überlappung aufeinandergelegt sind. Durch die ringförmig geschlossene Umfangsbegrenzung werden die Nullgradfasern (Kernfasern 91) des Faserverbundstoffprofils P optimal gestützt. Dadurch, dass im Überlappungsbereich (der Überlappungsstelle 20.3) keine Nullgradfasern vorkommen, wirkt die zweite Faserschicht 20 mit den Nicht-Nullgradfasern (zweiten Fasern 21) wie eine durchgehende Umfangswicklung des Faserverbundstoffprofils P. Damit kann die maximale Knicklast für die Faserverbundstoffprofilteile PT wesentlich gesteigert werden.
Nun werden unter Bezugnahme auf die 2a bis 2c, 3a und 3b gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ein Faserstrukturband 10' zum mittels Pultrusion Herstellen eines Faserverbundstoffprofils P' sowie das entsprechende Faserverbundstoffprofil P' beschrieben. Das Faserstrukturband 10' und das Faserverbundstoffprofil P', welche mit Bezug auf die 2a bis 2c, 3a und 3b beschrieben werden, sind bis auf einige wenige Unterschiede identisch zu jenen der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet. Daher werden im Folgenden im Wesentlichen nur diese Unterschiede aufgezeigt und sind in den 2a bis 2c, 3a und 3b Komponenten, welche gleich zu den Komponenten der ersten Ausführungsform der Erfindung ausgebildet sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Komponenten, welche sich von den Komponenten der ersten Ausführungsform der Erfindung unterscheiden, sind mit Bezugszeichen versehen, denen ein Apostroph beigefügt ist.
Wie aus den 2a bis 2c, 3a und 3b ersichtlich, kann gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung die erste Faserschicht 15' an mindestens einer Position in Breitenrichtung BR des Faserstrukturbands 10' eine sich längs parallel zur Längsrichtung LR2 des Faserstrukturbands 10 erstreckende Aussparungsgasse 17' aufweisen, in welcher keine ersten Fasern 16' vorgesehen sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist bevorzugt an jeder Position, an der im Faserverbundstoffprofil P' eine richtungsmäßige Umlenkung stattfinden soll, eine solche Aussparungsgasse 17' vorgesehen. Durch die Aussparungsgassen 17' wird das Faserstrukturband 10' lokal etwas drapierweicher und damit einfacher umzuformen und zu stabilisieren.
Wie insbesondere aus 3a und 3b ersichtlich, umfasst das pultrudierte Faserverbundstoffprofil P' neben dem Profilkern PK zwei der Faserstrukturbänder 10', welche den hohlprofilartigen Querschnitt des Faserverbundstoffprofils P' entsprechend der Außenumfangsabmessung außenumfänglich und entsprechend der Innenumfangsabmessung innenumfänglich geschlossen begrenzen.
Nun werden unter Bezugnahme auf die 4a bis 4e mögliche Modifikationen aufgezeigt. Obwohl diese Modifikationen in den 4b bis 4e auf der Grundlage des analog zu 1b in 4a gezeigten Faserstrukturbandes 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt und im Folgenden beschrieben sind, sind diese Modifikationen selbstverständlich auch auf das Faserstrukturband 10' gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung anwendbar.
Gemäß der in 4b gezeigten Modifikation ist bei dem Faserstrukturband 10.1 in dem Breitenbereich (nämlich dem Überstandsmaß Z), in welchem die zweite Faserschicht 20 über die erste Faserschicht 15 hinaus vorsteht, die Vernähung 25 in Breitenrichtung BR mit einer engeren Stichweite als in dem Breitenbereich ausgeführt, in welchem sich die ersten und zweiten Faserschichten 15, 20 überdecken. Damit wird im Überstandsbereich der zweiten Faserschicht 20 eine verbesserte Stabilisierung dieser erzielt. Die in 4b gezeigte Modifikation ist auf alle folgenden Modifikationen ebenfalls anwendbar.
Gemäß den in den 4c bis 4e gezeigten Modifikationen ist bei dem Faserstrukturband 10.2, 10.3, 10.4 auf einer der ersten Faserschicht 15 abgewandten anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht 20 eine Verstärkungsschicht 30, 40, 50 angeordnet und an der zweiten Faserschicht 20 fixiert. Dabei deckt die Verstärkungsschicht 30, 40, 50 auf der anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht 20 zumindest den Breitenbereich (nämlich das Überstandsmaß Z), in welchem die zweite Faserschicht 20 über die erste Faserschicht 15 hinaus vorsteht, ab.
Genauer ist gemäß der in 4c gezeigten Modifikation bei dem Faserstrukturband 10.2 die Verstärkungsschicht 30 so auf der anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht 20 vorgesehen, dass sie nur den Breitenbereich (das Überstandsmaß Z), in welchem die zweite Faserschicht 20 über die erste Faserschicht 15 hinaus vorsteht, abdeckt. Gemäß der in 4d gezeigten Modifikation erstreckt sich bei dem Faserstrukturband 10.3 die Verstärkungsschicht 40 auf der anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht 20 über deren volle Breitenabmessung B3 (siehe auch 1b). Gemäß den in den 4c und 4d gezeigten Modifikationen ist die Verstärkungsschicht 30, 40 mit einem Vlies (bevorzugt einem Glasfaservlies) oder entsprechenden Wirrfasern gebildet.
Gemäß der in 4d gezeigten Modifikation ist bei dem Faserstrukturband 10.4 die Verstärkungsschicht 50 so auf der anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht 20 vorgesehen, dass sie nur den Breitenbereich (das Überstandsmaß Z), in welchem die zweite Faserschicht 20 über die erste Faserschicht 15 hinaus vorsteht, abdeckt. In dieser Modifikation ist die Verstärkungsschicht 50 mit einem Kunststoffgitter (insbesondere aus Thermoplast) gebildet.
Mit den Modifikationen gemäß den 4c bis 4e lassen sich eine zusätzliche Schubversteifung und Stabilisation der zweiten Faserschicht 20 und des Faserstrukturbands 10.2–10.4 erreichen.
Abschließend bleibt zu bemerken, dass der Winkel, in welchem die die zweite Faserschicht 20 bildenden zweiten Fasern 21 zur Längsrichtung LR2 des Faserstrukturbands 10, 10', 10.1–10.4 angeordnet sind, je nach Verwendung der Faserverbundstoffprofilteile PT, PT' variieren kann und insbesondere ein Winkel in einem Bereich von (±)20 Grad bis 90 Grad sein kann. Rein beispielhaft kann der Winkel, in welchem die die zweite Faserschicht 20 bildenden zweiten Fasern 21 zur Längsrichtung LR2 des Faserstrukturbands 10, 10', 10.1–10.4 angeordnet sind, für Torsions- und Biegestäbe ±45 Grad betragen.
Bezugszeichenliste

1: Pultrusionslinie
2: Spulengatter
3: Halbzeugzuführeinrichtung
4: Imprägniereinrichtung
5: Aushärteinrichtung
6: Abzugseinrichtung
7: Trenneinrichtung
10, 10': Faserstrukturband
10.1–10.4: Faserstrukturband
15, 15': erste Faserschicht
16, 16': erste Fasern
17': Aussparungsgasse
20: zweite Faserschicht
20.1, 20.2: Längsränder
20.3: Überlappungsstelle
21: zweite Fasern
25: Vernähung
30, 40: Verstärkungsschicht
50: Verstärkungsschicht
90: Rovings
91: Kernfasern
B1–B3: Breitenabmessungen
BR: Breitenrichtung
LR1, LR2: Längsrichtung
P, P': Faserverbundstoffprofil
PK: Profilkern
PT, PT': Faserverbundstoffprofilteil
UR: Umfangsrichtung
S: Faserstrang
Z: Überstandsmaß

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005017225 A1 [0002]

Claims

Faserstrukturband (10, 10') zum mittels Pultrusion Herstellen eines Faserverbundstoffprofils (P, P'), so dass eine Breitenrichtung (BR) des Faserstrukturbands (10, 10') zu einer Umfangsrichtung (UR) des Faserverbundstoffprofils (P, P') korrespondiert und eine Längsrichtung (LR2) des Faserstrukturbands (10, 10') zu einer Längsrichtung (LR1) des Faserverbundstoffprofils (P, P') korrespondiert, wobei das Faserstrukturband (10, 10') aufweist: eine erste Faserschicht (15, 15'), welche mit sich längs parallel zur Längsrichtung (LR2) des Faserstrukturbands (10, 10') erstreckenden ersten Fasern (16, 16') gebildet ist, und eine zweite Faserschicht (20), welche auf einer Flächenseite der ersten Faserschicht (15, 15') angeordnet und an der ersten Faserschicht (15, 15') fixiert ist und welche mit sich längs winklig zur Längsrichtung (LR2) des Faserstrukturbands (10, 10') erstreckenden zweiten Fasern (21) gebildet ist, wobei jeweilige Breitenabmessungen (B2, B3) der ersten und zweiten Faserschichten (15, 15'; 20) in Breitenrichtung (BR) des Faserstrukturbands (10, 10') verlaufen, und wobei die Breitenabmessung (B3) der zweiten Faserschicht (20) um ein vorbestimmtes Überstandsmaß (Z) größer als die Breitenabmessung (B2) der ersten Faserschicht (15, 15') vorgesehen ist, so dass die zweite Faserschicht (20) in einem Breitenbereich des Faserstrukturbands (10, 10') mit dem Überstandsmaß (Z) über die erste Faserschicht (15, 15') hinaus vorsteht.
Faserstrukturband (10, 10') gemäß Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Faserschichten (15, 15'; 20) so aufeinander angeordnet sind, dass die zweite Faserschicht (20) in Breitenrichtung (BR) des Faserstrukturbands (10, 10') nur auf einer Seite mit dem Überstandsmaß (Z) über die erste Faserschicht (20) hinaus vorsteht.
Faserstrukturband (10, 10') gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Breitenabmessung (B2) der ersten Faserschicht (15, 15') so vorgesehen ist, dass sie einer Umfangsabmessung des Faserverbundstoffprofils (P, P') entspricht.
Faserstrukturband (10') gemäß einem der Ansprüche 1–3, wobei die erste Faserschicht (15') an mindestens einer Position in Breitenrichtung (BR) des Faserstrukturbands (10') eine sich längs parallel zur Längsrichtung (LR2) des Faserstrukturbands (10') erstreckende Aussparungsgasse (17') aufweist, in welcher keine ersten Fasern (16') vorgesehen sind.
Faserstrukturband (10, 10') gemäß einem der Ansprüche 1–4, wobei auf einer der ersten Faserschicht (15, 15') abgewandten anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht (20) eine Verstärkungsschicht (30, 40, 50) angeordnet und an der zweiten Faserschicht (20) fixiert ist, und wobei die Verstärkungsschicht (30, 40, 50) auf der anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht (20) zumindest den Breitenbereich, in welchem die zweite Faserschicht (20) über die erste Faserschicht (15, 15') hinaus vorsteht, abdeckt.
Faserstrukturband (10, 10') gemäß Anspruch 5, wobei sich die Verstärkungsschicht (40) auf der anderen Flächenseite der zweiten Faserschicht (20) über deren volle Breitenabmessung (B3) erstreckt.
Faserstrukturband (10, 10') gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Verstärkungsschicht mit einem Vlies (30, 40) oder einem Kunststoffgitter (50) gebildet ist.
Faserstrukturband (10, 10') gemäß einem der Ansprüche 1–7, wobei zur Schichtfixierung eine Vernähung (25) vorgesehen ist.
Faserstrukturband (10, 10') gemäß Anspruch 8, wobei in dem Breitenbereich, in welchem die zweite Faserschicht (20) über die erste Faserschicht (15, 15') hinaus vorsteht, die Vernähung (25) in Breitenrichtung (BR) mit einer engeren Stichweite als in einem Breitenbereich ausgeführt ist, in welchem sich die ersten und zweiten Faserschichten (15, 15'; 20) überdecken.
Pultrudiertes Faserverbundstoffprofil (P, P') mit: einem Profilkern (PK), welcher mit sich längs parallel zur Längsrichtung (LR1) des Faserverbundstoffprofils (P, P') erstreckenden Kernfasern (91) gebildet ist und welcher einen Querschnitt des Faserverbundstoffprofils (P, P') definiert, und mindestens einem Faserstrukturband (10, 10') gemäß einem der Ansprüche 1–9, welches den Querschnitt des Faserverbundstoffprofils (P, P') umfänglich geschlossen begrenzt, wobei zwei entgegengesetzte Längsränder (20.1, 20.2) der zweiten Faserschicht (20) in direkter gegenseitiger Überlappung aufeinandergelegt sind.