DE102019110640A1

DE102019110640A1 - Verfahren zum herstellen von verbundgegenständen aus nicht gekräuselten geweben

Info

Publication number: DE102019110640A1
Application number: DE102019110640.0A
Authority: DE
Inventors: Venkateshwar R. Aitharaju; William R. Rodgers
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2020-01-02
Also published as: US11111610B2; CN110641040A; US20190390379A1

Abstract

Verfahren zum Bilden von Verbundgegenständen, einschließlich des Bereitstellens eines nicht gekräuselten Gewebes (NCF), das eine Vielzahl von Faserlagen umfasst, die in einer Lage durch Heften gehalten werden, worin das Heften eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber Wärme und/oder UV-Licht in Bezug auf die Faserlagen aufweist, selektives Abbauen der Naht in einem oder mehreren Bereichen unter Verwendung von Wärme oder UV-Licht, Drapieren des NCF auf einen konturierten Gegenstand, Aufbringen eines Polymermatrixmaterials auf das drapierte NCF und Aushärten des Polymermatrixmaterials zum Bilden eines konturierten Verbundgegenstands. Die Nähte können in Bereichen des NCF abgebaut werden, die, wenn sie auf den konturierten Gegenstand drapiert werden, den topologischen Merkmalen des konturierten Gegenstands entsprechen. Die Verschlechterung der Nähte kann das Brechen der Nähte umfassen. Die Faserlagen können Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Basaltfasern umfassen. Der konturierte Gegenstand kann ein Werkzeug und/oder eine Automobilkomponente sein. Das NCF kann ein bi-axiales NCF sein.

Description

HINTERGRUND
Das Interesse an der Substitution von hochleistungsfähigen, leichten, verstärkten Verbundkomponenten und -strukturen, die eine Polymermatrix mit einer geeigneten Verstärkung für metallische Komponenten in Fahrzeugen umfassen, wird immer größer. Geeignete Polymere sind häufig Duroplaste, wie beispielsweise Epoxide, Vinylester oder Polyester, oder Thermoplaste, wie beispielsweise Polypropylen oder Polyamid, und geeignete Verstärkungen beinhalten Strukturfasern, wie beispielsweise Kohlenstoff-, Glas- oder Aramidfasern. Diese Fasern können zufällig ausgerichtet und in einer oder mehreren bevorzugten Richtungen angeordnet oder ausgerichtet sein.
Bei Gewebeanwendungen können ausgerichtete Fasern zur Vereinfachung der Anwendung zu einer von zwei Gewebestrukturen zusammengefügt werden: ein gewebtes Tuch oder ein nicht gewebtes Gewebe, das häufig als nicht gekräuseltes oder gestepptes Gewebe bezeichnet wird. Ein gewebtes Tuch verwendet Seile einer ersten Ausrichtung, die abwechselnd über und unter Faserseilen einer zweiten Ausrichtung liegen, normalerweise bei etwa 90° zur ersten Ausrichtung. Das Gewebe kann eng anliegend sein, mit benachbarten Zugbändern, die etwa einen Millimeter oder weniger voneinander entfernt angeordnet sind, oder lose, mit benachbarten Zugbändern, die bis zu etwa 10 Millimeter voneinander entfernt sind.
Ein nicht gekräuseltes Gewebe beinhaltet eine Anzahl von voneinander beabstandeten Faserrovings, die einfach nebeneinander in einer Lage angeordnet und durch Nähen, beispielsweise unter Verwendung eines Polyestergarns, gesichert und fixiert werden können. Diese Nähte erstrecken sich im Allgemeinen über die Länge und Breite der Verstärkungsschicht und werden in der Regel mit einem Stichbalken durchgeführt, der eine Vielzahl von Nadeln beinhaltet und eine geeignete Bewegung aufweist, um sowohl einfache Kettenstiche als auch andere komplexere Stiche, wie beispielsweise Trikot-Stiche, zu ermöglichen. In vielen Fällen werden mehrere koextensive Lagen aufeinandergelegt und die Rovings aller Lagen in einem einzigen Heftvorgang gesichert. Häufig werden die Lagen mit den Faserausrichtungen benachbarter Lagen platziert, die voneinander gedreht werden, um die Eigenschaften in der Ebene weniger gerichtet oder isotroper in der mehrlagigen Verstärkung zu gestalten als in jeder einzelnen Lage. Das Gewicht jeder Lage wird durch die Masse des Rovings und den Abstand zwischen benachbarten Rovingbündeln bestimmt. Diese, nicht gewebten Verstärkungen werden als Maschengewebe oder nicht gekräuselte Gewebe bezeichnet, die häufig mit der Abkürzung NCF bezeichnet werden.
Derartige Gewebeverstärkungen, ob gewebt oder nicht gewebt, können mit einem geeigneten Polymerharz imprägniert, in eine Form gelegt, geformt und dann ausgehärtet werden, typischerweise bei leicht erhöhten Temperaturen (z. B. 150°C) , um den gewünschten Polymerverbund zu bilden. Es ist zu beachten, dass die vorstehend aufgeführte Reihenfolge der Arbeitsgänge für verschiedene Spritzgussverfahren geändert werden kann. So kann beispielsweise das Gewebe in das Werkzeug (d. h. eine Form) mit bereits imprägniertem Harz eingebracht werden, oder das Harz kann nach dem Einbringen des Gewebes in die Form durch Harzinfusion, Harzinjektion oder Strukturharz-Spritzguss hinzugefügt werden. Thermoplastische oder duroplastische Platten oder Materialien mit vernetzten Litzen aus Thermoplast und Verstärkungsfaser können ebenfalls verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es sind Verfahren zum Bilden eines Verbundgegenstands vorgesehen, die das Bereitstellen eines nicht gekräuselten Gewebes (NCF) beinhalten. Das NCF beinhaltet eine Vielzahl von Faserlagen, die in einem Layup durch Heften gehalten werden, und die Heftung weist eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber Hitze und/oder UV-Licht im Vergleich zu den Faserlagen auf. Das nächste Verfahren beinhaltet das selektive Abbauen der Naht in einem oder mehreren Bereichen unter Verwendung von Wärme oder UV-Licht, das Drapieren des NCF auf einen konturierten Gegenstand, das Aufbringen eines Polymermatrixmaterials auf das drapierte NCF und das Aushärten des Polymermatrixmaterials, um einen konturierten Verbundgegenstand zu bilden. Die Nähte können in Bereichen des NCF abgebaut werden, die, wenn sie auf den konturierten Gegenstand drapiert werden, den topologischen Merkmalen des konturierten Gegenstands entsprechen. Die Nähte können in Bereichen des NCF abgebaut werden, die, wenn sie auf den konturierten Gegenstand drapiert werden, Merkmalen entsprechen, die topologische Unterschiede in mehr als einer Dimension aufweisen. Die Verschlechterung der Nähte kann das Brechen der Nähte beinhalten.
Die Faserlagen können Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Basaltfasern beinhalten. Der konturierte Gegenstand kann ein Werkzeug sein. Der konturierte Gegenstand kann eine Automobilkomponente sein. Das NCF kann ein bi-axiales NCF sein.
Andere Verfahren zum Bilden eines Verbundgegenstands sind vorgesehen und beinhalten das Bereitstellen eines nicht gekräuselten Gewebes (NCF). Das NCF kann eine Vielzahl von Faserlagen beinhalten, die in einem Layup durch Heften gehalten werden können, und die Heftung weist eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber Hitze im Vergleich zu den Faserlagen auf. Das nächste Verfahren beinhaltet das selektive Abbauen der Naht in einem oder mehreren Bereichen unter Verwendung von Wärme, das Drapieren des NCF auf einen konturierten Gegenstand, das Aufbringen eines Polymermatrixmaterials auf das drapierte NCF und das Aushärten des Polymermatrixmaterials, um einen konturierten Verbundgegenstand zu bilden. Die Faserlagen können Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Basaltfasern beinhalten. Die Naht kann ein oder mehrere Polyamide, ein oder mehrere Polyester, Polyurethan, ein oder mehrere Viskosematerialien, Polypropylen, eine oder mehrere Polyglykolsäuren, ein oder mehrere Polyvinylalkohole und Kombinationen derselben beinhalten. Die Naht kann selektiv abgebaut werden, indem das NCF mit einer beheizten konturierten Rolle oder einem beheizten konturierten Stempel kontaktiert wird. Die konturierte Walze oder der konturierte Stempel können konturierte Abschnitte beinhalten, die mindestens bis zum Schmelzpunkt der Naht erwärmt werden. Das Heften kann selektiv durch einen Laser, ein gerastertes Induktionserwärmungswerkzeug oder Open-Air-Plasma abgebaut werden.
Andere Verfahren zum Bilden eines Verbundgegenstands sind vorgesehen und beinhalten das Bereitstellen eines nicht gekräuselten Gewebes (NCF). Das NCF beinhaltet eine Vielzahl von Faserlagen, die in einem Layup durch Heften gehalten werden, und die Heftung weist eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber UV-Licht im Vergleich zu den Faserlagen auf. Das nächste Verfahren beinhaltet das selektive Abbauen der Naht in einem oder mehreren Bereichen unter Verwendung von UV-Licht, das Drapieren des NCF auf einen konturierten Gegenstand, das Aufbringen eines Polymermatrixmaterials auf das drapierte NCF und das Aushärten des Polymermatrixmaterials, um einen konturierten Verbundgegenstand zu bilden. Die Naht kann selektiv mit UV-Licht durch Aufbringen einer Maske auf das NCF abgebaut werden, worin die Maske eine oder mehrere Öffnungen umfasst, die den Bereichen des NCF entsprechen, in denen ein Nahtabbau erwünscht ist, und die Maske dem UV-Licht ausgesetzt wird. Die Naht kann durch eine ummantelte UV-Lichtquelle selektiv abgebaut werden. Die Faserlagen können Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Basaltfasern beinhalten. Die Naht kann ein oder mehrere Polyamide, ein oder mehrere Polyester, Polyurethan, ein oder mehrere Viskosematerialien, Polypropylen, eine oder mehrere Polyglykolsäuren, ein oder mehrere Polyvinylalkohole und Kombinationen derselben beinhalten.
Figurenliste

1A veranschaulicht eine Draufsicht eines Gewebes gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen;
1B veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines nicht gekräuselten Gewebes gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
2A veranschaulicht eine Draufsicht eines nicht gekräuselten Gewebes mit einer Naht, die in einem Ketten- oder Säulenmuster gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen aufgebracht ist;
2B veranschaulicht eine Draufsicht eines nicht gekräuselten Gewebes mit einer Naht, die in einem Trikot-Muster gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen aufgebracht ist;
2C veranschaulicht eine Draufsicht eines nicht gekräuselten Gewebes mit einer Naht, die in einem Hybridketten-/Trikotmuster gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen aufgebracht ist;
3 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bilden eines Verbundgegenstands gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
4A veranschaulicht eine perspektivische Ansicht von Werkzeugen, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen als konturierter Gegenstand fungieren können; und
4B veranschaulicht eine Draufsicht eines NCF-Rohlings, der über dem Werkzeug drapiert werden kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Faserverstärkte Polymerverbundgegenstände werden zunehmend dort eingesetzt, wo geringe Masse und hohe Festigkeit gefordert sind. Oft ist die Verbundverstärkung selbst ein Verbund aus mehreren verschiedenen, meist koextensiven Verstärkungsfaserschichten, die übereinander gestapelt oder geschichtet sind. Die Verstärkungen können ausgerichtete gewebte oder nicht gewebte Fasern oder zufällig angeordnete und positionierte Fasern sein, die durchgehend oder gehackt sein können. Veranschaulichende Beispiele derartiger Verstärkungen sind in den 1A-B dargestellt und können ohne Einschränkung Kohlenstofffasern, Glasfasern, und Aramidfasern umfassen, wie unter anderem nachfolgend beschrieben wird.
1A stellt einen Abschnitt einer gewebten Verstärkung 10 dar, die Kettfasern 12 umfasst, die in Tows 14 angeordnet sind, die abwechselnd über und unter den Schussfasern 16 liegen, die in Tow(s) 18 angeordnet sind. 1B stellt ein vierlagiges oder „vierachsiges“, nicht gekräuseltes Gewebe (NCF) 20 dar, bei dem Roving-Schichten oder „Lagen“, 25, 27, 29, 31, die ausgerichtete, voneinander beabstandete Rovings 24, 26, 28, 30 enthalten, die jeweils Fasern 22 enthalten (zur besseren Übersichtlichkeit nur einmal dargestellt), übereinander gelegt und durch eine Heftung 32 gesichert sind. Die dargestellte Naht 32 ist ein Hybrid-Ketten-/Trikotmuster, wobei jedoch viele verschiedene Nahtmuster verwendet werden können. Als nicht einschränkende Beispiele veranschaulicht 2A eine Draufsicht eines NCF 20 mit einer in einem Ketten- oder Säulenmuster aufgebrachten Naht 32, 2B veranschaulicht eine Draufsicht eines NCF 20 mit einer in einem Trikotmuster aufgebrachten Naht 32 und 2C veranschaulicht eine Draufsicht eines NCF 20 mit einer in einem Hybridketten-/Trikotmuster aufgebrachten Naht 32.
NCFs werden häufig verwendet, um Verbundgegenstände zu bilden, die im Allgemeinen ein NCF beinhalten, das in eine gehärtete Polymermatrix eingebettet ist. Um einen Verbundgegenstand zu bilden, wird zunächst ein NCF auf einen konturierten Gegenstand drapiert, um die gewünschte Endgeometrie des Verbundgegenstands zu bestimmen, und anschließend wird ein Polymermatrixmaterial auf das NCF aufgebracht und ausgehärtet. Hierin sind Verfahren zur Herstellung von Verbundgegenständen aus NCFs vorgesehen, welche die Drapierfähigkeit von NCFs während der Formgebung verbessern und somit unerwünschte Falten und Defekte in den Verbundgegenständen reduzieren.
3 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Verfahrens 300 zum Bilden eines Verbundgegenstands. Das Verfahren 300 wird mit Bezug auf das NCF 20 von 2B beschrieben, jedoch verstehen Fachleute, dass das Verfahren 300 dadurch in keiner Weise eingeschränkt ist. Das Verfahren 300 umfasst das Bereitstellen 310 eines NCF 20, das selektive Abbauen 320 der Naht 32 in einem oder mehreren Bereichen, das Drapieren 330 des NCF 20 auf einen konturierten Gegenstand, das Aufbringen 340 eines Polymermatrixmaterials auf das drapierte NCF 20 und das Aushärten 350 des Polymermatrixmaterials zum Bilden eines konturierten Verbundgegenstands. Das Verfahren kann ferner optional das Trennen 360 des konturierten Gegenstands von dem konturierten Verbundgegenstand umfassen.
NCFs 20 können poly-axiale NCFs (z. B. bi-axiale, triaxiale, vierachsige NCFs) beinhalten, die eine Vielzahl von Lagen umfassen. Ein gebräuchliches Beispiel für ein bi-axiales NCF ist eine 2-lagige Gruppierung von Fasern, die bei +45° und -45° angeordnet sind. Andere bi-axiale NCFs beinhalten Gruppierungen von Fasern, die bei 0° und 90° angeordnet sind, Gruppierungen von Fasern, die bei +30° und -30° angeordnet sind, Gruppierungen von Fasern, die bei +60° und -60° angeordnet sind, und Gruppierungen von Fasern, die bei nicht-symmetrischen Winkeln wie 0° und +45° angeordnet sind. Ein gebräuchliches Beispiel für ein dreiachsiges NCF ist eine 3-lagige Gruppierung von Fasern, die bei 0°, +60° und -60° angeordnet sind. Ein gebräuchliches Beispiel für ein vierachsiges NCF ist eine 4-lagige Gruppierung von Fasern, die bei 0°, +45°, -45° und 90° angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass Schwankungen in der Anzahl der Lagen, in der Anzahl der Ausrichtungen, in der Winkelausrichtung der Fasern innerhalb jeder Lage und in der Faserdichte in jeder Ausrichtung durch die in dieser Spezifikation verwendete Terminologie nicht „gekräuseltes Gewebe“, „geheftetes Gewebe“, „NCF“, „NCF-Gewebe“ oder „ausgerichtete Faserschicht“ verständlich gemacht werden.
Die Fasern 22 eines NCF 20 können Kohlenstofffasern, Glasfasern (z. B. Glasfasern, Quarz), Basaltfasern, Aramidfasern, Polyphenylenbenzobisoxazol (PBO), Polyethylenfasern (z. B. ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE)), Polypropylenfasern (z. B. hochfestes Polypropylen), Naturfasern (z. B. Baumwolle, Lein, Zellulose, Spinnenseide) und Kombinationen derselben beinhalten.
Die Polymermatrix kann jedes geeignete thermoplastische Harz oder duroplastische Harz beinhalten. Das thermoplastische Harz kann Folgendes beinhalten: Vinylchloridharz, Vinylidenchloridharz, Vinylacetatharz, Polyvinylalkoholharz, Polystyrolharz, Acrylnitrilstyrolharz, Acrylnitril-Butadien-Styrolharz, Acrylharz, Methacrylatharz, Polyethylenharz, Polypropylenharz, Polyamidharz (PA6, PA11, PA12, PA46, PA66, PA610), ganz oder teilweise aromatische Polyamidharze, Polyacetalharz, Polycarbonatharz, Polyethylenterephthalatharz, Polyethylennaphthalatharz, Polybutylenterephthalatharz, Polyacrylatharz, Polyphenylenetherharz, Polyphenylensulfidharz, Polysulfonharz, Polyethersulfonharz, Polyetheretherketonharz, Polylactidharz oder eine Kombination oder Copolymere dieser Harze. Das duroplastische Harz kann Folgendes beinhalten: Benzoxazin, ein Bis-Maleimid (BMI), einen Cyanatester, ein Epoxy, ein Phenol (PF), ein Polyacrylat (Acryl), ein Polyimid (PI), einen ungesättigten Polyester, ein Polyeurethan (PUR), einen Vinylester, ein Siloxan oder eine Kombination oder Copolymere dieser Harze.
Das Verfahren 300 umfasst das Bereitstellen 310 eines NCF 20, das eine Vielzahl von Faserlagen umfasst, die in einem Layup durch Heften 32 aufrechterhalten werden. In einigen Ausführungsformen umfasst das NCF 20 ein bi-axiales NCF, wie die vorstehend beschriebenen. Die Naht 32 weist eine höhere spezifische Empfindlichkeit auf als die Fasern 22 jeder Lage des NCF 20. Eine spezifische Anfälligkeit kann beispielsweise eine strukturelle Toleranz gegenüber Wärme, UV-Licht, Chemikalien oder Zugkräften beinhalten. In einer Ausführungsform weist die Naht 32 eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber Wärme und/oder UV-Licht im Vergleich zu den Faserlagen des NCF 20 auf. In einer Ausführungsform weist die Naht 32 eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber Wärme in Bezug auf die Faserlagen des NCF 20 auf. In einer Ausführungsform weist die Naht 32 eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber UV-Licht im Vergleich zu den Faserlagen des NCF 20 auf.
Verfahren 300 umfasst anschließend das selektive Abbauen 320 der Naht 32 in einem oder mehreren Bereichen unter Verwendung von Verfahren, welche die spezifische Anfälligkeit der Naht 32 ausnutzen. Dementsprechend kann beispielsweise in Ausführungsformen, in denen die Naht 32 eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber Wärme und/oder UV-Licht im Vergleich zu den Faserlagen des NCF 20 aufweist, eine selektive Verschlechterung 320 der Naht 32 durch Wärme oder UV-Licht erreicht werden. Die Verschlechterung 320 kann das Schmelzen, Brechen oder anderweitige strukturelle Beeinträchtigung der Naht 32 in dem Maße umfassen, in dem die gewünschte Fließfähigkeit der unmittelbar benachbarten NCF-Fasern erreicht wird. So kann beispielsweise die Verschlechterung darin bestehen, dass die Elastizität der Nähte in einigen Ausführungsformen verringert wird. In einigen Ausführungsformen kann die Naht eine geringere Festigkeit aufweisen als herkömmliche Stränge, wodurch der Strang unter Spannung entsprechend bricht. So kann beispielsweise eine herkömmliche Polyester-Naht bei NFCs 20 einen Dezitex (Masse in Gramm pro 10.000 Meter eines Filaments) von etwa 33 aufweisen. Dementsprechend kann ein NFC 20 in einigen Ausführungsformen das Heften 32 umfassen, das beispielsweise einen Dezitex von etwa 10-15 umfasst.
In einigen Ausführungsformen, in denen die Naht 32 eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber Wärme im Vergleich zu den Faserlagen des NCF 20 aufweist, kann die Naht 32 selektiv 320 durch Wärme abgebaut werden. Geeignete Materialien für die Naht 32 beinhalten unter anderem Polyamide, Polyester, Baumwolle, Seide, Polytetrafluorethylen, Viskose, Polypropylen, Polyacrylat, Leinen, Wolle, Aramidfasern, Aluminiumoxidsilikat, Polyglykolsäure, Polyvinylalkohol und Polycarbonatpolymere. Heftmaterialien, die für diese Ausführungsform besonders geeignet sind, können ein oder mehrere Polyamide, ein oder mehrere Polyester, Polyurethan, ein oder mehrere Viskosematerialien, Polypropylen, ein oder mehrere Polyglykolsäuren, ein oder mehrere Polyvinylalkohole und Kombinationen derselben umfassen.
NCFs umfassen in einigen Ausführungsformen idealerweise Fasern mit Abbautemperaturen, die deutlich höher sind als die Abbautemperaturen der Heftmaterialien. Derartige Fasermaterialien können unter anderem eine oder mehrere Kohlenstofffasern, Glasfasern und Basaltfasern beinhalten. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Kohlenstofffasern und Polyamid-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Glasfasern und Polyamid-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Basaltfasern und Polyamid-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Kohlenstofffasern und Polyester-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Glasfasern und Polyester-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Basaltfasern und Polyester-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Kohlenstofffasern und Viskose-Rayon-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Kohlenstofffasern und Viskose-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Kohlenstofffasern und Polypropylen-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Glasfasern und Polypropylen-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Kohlenstofffasern und Polyurethan-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Glasfasern und Polyurethan-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Kohlenstofffasern und Polyglykolsäure-Nähte. In einer Ausführungsform umfasst ein NCF Glasfasern und Polyglykolsäure-Nähte.
In einigen Ausführungsformen kann das NCF mit einer erwärmten konturierten Walze oder einem erwärmten konturierten Stempel kontaktiert werden, von denen jeder mindestens einen konturierten Abschnitt umfasst. Die Walzen- oder Stempelkonturen können aus einer rohrförmigen Oberfläche der Walze oder einer normalen Oberfläche des Stempels herausragen, sodass sie mit dem NCF 20 in Bereichen in Kontakt kommen, in denen ein Nahtabbau erwünscht ist. Die konturierte Walze oder der Stempel wird auf eine gewählte Temperatur erwärmt, um einen gewünschten Abbau der Naht 32 zu bewirken. Der Stempel oder die Walze kann vollständig erwärmt werden, oder die Konturen können selektiv erwärmt werden. Die Temperatur, auf die eine Walze oder ein Stempel erwärmt wird, bevor das NCF 20 berührt wird, kann beispielsweise mindestens den Schmelzpunkt der Naht umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die Naht 32 selektiv durch einen Laser, ein gerastertes Induktionserwärmungswerkzeug, Open-Air-Plasma und andere Wärmequellen, die den gewünschten Abbau der Naht 32 erreichen können, abgebaut werden.
Heftmaterialien, die besonders anfällig für Laserwärme sind, können unter anderem polymere Materialien sein, wie beispielsweise Polyamide, Polyester und Viskosefasern. Das Nähen, das besonders anfällig für Induktionserwärmung ist, kann polymeres Heften beinhalten, das kleine metallische Partikel umfasst (z. B. Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 10 nm bis etwa 20 µm). Metallpartikel können beispielsweise Eisen und/oder Nickel umfassen. Heftmaterialien, die besonders anfällig für Plasmaerwärmung sind, beinhalten polymere Materialien, die durch die Einwirkung von aktiviertem Sauerstoff abgebaut werden können. Einige dieser Materialien können Polyamide, Polyester, Viskose, Polyurethan, Polyglykolsäure und Polyvinylalkohol sein.
Ebenso kann in Ausführungsformen, in denen die Naht 32 eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber UV-Licht im Vergleich zu den Faserlagen des NCF 20 aufweist, ein selektiver Abbau 320 der Naht 32 mit UV-Licht durchgeführt werden. Eine UV-Lichtquelle kann jede Vorrichtung beinhalten, die konfiguriert ist, um ausreichend hochenergetisches UV-Licht bereitzustellen, wie beispielsweise kurzwellige ultraviolette Lampen, Gasentladungslampen und ultraviolett emittierende LEDs. In einigen Ausführungsformen liegt der UV-Licht-Entladungsbereich idealerweise im UVC-Bereich (z. B. etwa 100 nm bis etwa 280 nm), sodass ausreichend Energie zum Abbau absorbierender Polymermaterialien vorhanden ist. In einigen Ausführungsformen wird auf das NCF 20 eine Ummantelung mit Nahtverschleißöffnungen aufgebracht, und die Ummantelung wird anschließend dem UV-Licht ausgesetzt, sodass das UV-Licht das NCF 20 nur in Bereichen direkt unterhalb der Ummantelungsöffnungen berührt. Darüber hinaus oder alternativ kann eine UV-Lichtquelle selbst ummantelt werden, um die Emission von UV-Licht in die gewünschten Richtungen zu fokussieren, um einen spezifischen Abbau der Naht 32 zu bewirken.
Heftmaterialien, die besonders anfällig für UV-Licht sind, können beispielsweise Polyamide, Polyester und Polyacrylat beinhalten. In einigen Ausführungsformen können Heftmaterialien, die besonders anfällig für UV-Licht sind, polymere Materialien und UV-Lichtadditive umfassen, die UV-Licht absorbieren und sich zersetzen, um kleine organische freie Radikale zu erzeugen. Ohne an einen bestimmten Abbaumechanismus gebunden zu sein, können derartige freie Radikale in einigen Ausführungsformen Wasserstoffatome aus den polymeren Heftmaterialien abstrahieren und deren strukturelle Integrität verschlechtern. Beispiele für derartige UV-Additive beinhalten unter anderem 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon, Benzilketale (wie Benzildimethylketal), Hydroxyacetophenon, α-Hydroxyalkylphenone, Acylphosphinoxide (2,4,6-Trimethylolbenzoyldiphenylphosphinoxid), α-Aminoalkylphenone und Azobisisobutyronitril.
Ebenso kann in Ausführungsformen, in denen die Heftmaterialien in Bezug auf die Faserlagen des NCF 20 besonders anfällig für bestimmte Chemikalien (z. B. Säuren oder Basen) sind, der selektive Abbau 320 der Nähte 32 mit den jeweiligen Chemikalien durchgeführt werden. So ist beispielsweise das Heften aus Polyester, Polyamid, Polyurethan, Polyglykolsäure und/oder Polyvinylalkohol besonders anfällig für den Abbau durch starke Säuren (z. B. Salzsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure) und starke Basen (z. B. Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid), die das Heftmaterial depolymerisieren würden.
Nach dem selektiven Abbau 320 umfasst das Verfahren 300 zum Heften 32 das Drapieren 330 des NCF 20 auf einen konturierten Gegenstand. Der konturierte Gegenstand kann ein Werkzeug und/oder ein weiterer Aspekt des Verbundgegenstands sein. So kann beispielsweise das NCF auf eine Automobilkomponente aufgebracht werden, die nach dem Aushärten 350 in den konturierten Verbundgegenstand integriert wird. In diesen Ausführungsformen sind die Komponenten verstärkt. In derartigen Ausführungsformen würde die Automobilkomponente zumindest einen Teil der Werkzeuge zum Bilden des Verbundwerkteils bereitstellen. Die Naht 32 des NCF 20 wird selektiv in Bereichen des NCF 20 abgebaut, die, wenn sie auf den konturierten Gegenstand drapiert wird, dessen topologischen Merkmalen entsprechen. Insbesondere wird die Naht 32 des NCF 20 selektiv in Bereichen des NCF 20 abgebaut, die, wenn sie auf den konturierten Gegenstand drapiert wird, dessen Merkmalen entsprechen, die topologische Variationen in mehr als einer Dimension aufweisen. Eine Ecke, die beispielsweise aus zwei ebenen Flächen gebildet wird, weist eine topologische Variation in nur einer Dimension, bezogen auf eine der ebenen Flächen, auf und verursacht eine minimale Faltenbildung eines NCF 20, wenn es darauf drapiert wird. Umgekehrt weist eine aus drei ebenen Flächen gebildete Ecke eine topologische Variation in 2 Dimensionen in Bezug auf eine der ebenen Flächen auf und verursacht einen höheren Grad der Faltenbildung eines NCF 20, wenn es darauf drapiert wird.
4A veranschaulicht eine perspektivische Ansicht des Werkzeugs 400, das als konturierter Gegenstand fungieren kann. 4B veranschaulicht eine Draufsicht eines NCF-Rohlings 401, der über das Werkzeug 400 drapiert 330 werden kann. Der NCF-Rohling 401 kann auf dem Werkzeug 400 so drapiert 330 werden, dass der Umfang des NCF-Rohlings 410 mit der Position 411 des Werkzeugs 400 ausgerichtet ist. Der Bereich 405 identifiziert einen Bereich des Werkzeugs 400 mit topologischen Merkmalen, die sich negativ auf das Drappieren 330 des NCF-Rohling 401 auswirken. Dementsprechend kann die Naht 32 des NCF-Rohlings 401 selektiv 320 in den Bereichen 415, 416, 417 und 418 abgebaut werden, um diese topologischen Merkmale des Werkzeugs 400 aufzunehmen. So kann beispielsweise die Naht 32 des Bereichs 419 weitgehend intakt bleiben. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass das Werkzeug 400 und der NCF-Rohling 401 nur zur Veranschaulichung vorgesehen sind und dass die hierin beschriebenen Verfahren und Gegenstände nicht auf die Geometrien beschränkt sein sollten.
Nach dem Drapieren 330 des NCF 20 auf einen konturierten Gegenstand wird eine Polymermatrix (wie eine der vorstehend beschriebenen Polymermatrizen) auf das drapierte NCF 20 aufgebracht 340 und ausgehärtet 350, um einen konturierten Verbundgegenstand zu bilden. Das Aufbringen 340 der Polymermatrix auf das NCF 20 kann das Imprägnieren des NCF 20 mit einer Polymermatrix in ausreichender Menge umfassen, um beispielsweise alle Fasern 22 derselben zu benetzen. Wenn der konturierte Gegenstand ein Werkzeug ist, kann das Verfahren 300 ferner das Trennen 360 des Werkzeugs vom konturierten Verbundgegenstand umfassen.
Die Praxis der Erfindung wurde durch Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen veranschaulicht, die exemplarisch und nicht einschränkend sein sollen.
Der volle Umfang der Erfindung ist nur durch die folgenden Patentansprüche zu definieren und zu begrenzen.

Claims

Verfahren zum Bilden eines Verbundgegenstands, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines nicht gekräuselten Gewebes (NCF), umfassend eine Vielzahl von Faserlagen, die in einem Layup durch Heften gehalten werden, worin das Heften eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber Wärme und/oder UV-Licht im Vergleich zu den Faserlagen aufweist; selektives Abbauen der Naht in einem oder mehreren Bereichen durch Wärme oder UV-Licht; Drapieren des NCF auf einen konturierten Gegenstand; Aufbringen eines Polymermatrixmaterials auf das drapierte NCF; und Aushärten des Polymermatrixmaterials, um einen konturierten Verbundgegenstand zu bilden.
Verfahren zum Bilden eines Verbundgegenstands, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines nicht gekräuselten Gewebes (NCF), umfassend eine Vielzahl von Faserlagen, die in einem Layup durch Heften gehalten werden, worin das Heften eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber Wärme m Vergleich zu den Faserlagen aufweist; selektives Abbauen der Naht in einem oder mehreren Bereichen durch Wärme; Drapieren des NCF auf einen konturierten Gegenstand; Aufbringen eines Polymermatrixmaterials auf das drapierte NCF; und Aushärten des Polymermatrixmaterials, um einen konturierten Verbundgegenstand zu bilden.
Verfahren zum Bilden eines Verbundgegenstands, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines nicht gekräuselten Gewebes (NCF), umfassend eine Vielzahl von Faserlagen, die in einem Layup durch Heften gehalten werden, worin das Heften eine geringere strukturelle Toleranz gegenüber UV-Licht Vergleich zu den Faserlagen aufweist; selektives Abbauen der Naht in einem oder mehreren Bereichen durch UV-Licht; Drapieren des NCF auf einen konturierten Gegenstand; Aufbringen eines Polymermatrixmaterials auf das drapierte NCF; und Aushärten des Polymermatrixmaterials, um einen konturierten Verbundgegenstand zu bilden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Naht in Bereichen des NCF abgebaut wird, die, wenn sie auf den konturierten Gegenstand drapiert wird, den topologischen Merkmalen des konturierten Gegenstands entsprechen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin das Abbauen der Naht das Brechen der Naht umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Faserlagen Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Basaltfasern umfassen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der konturierte Gegenstand eine Automobilkomponente umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das NCF ein bi-axiales NCF umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Naht ein oder mehrere Polyamide, einen oder mehrere Polyester, Polyurethan, ein oder mehrere Viskosematerialien, Polypropylen, eine oder mehrere Polyglykolsäuren, ein oder mehrere Polyvinylalkohole und Kombinationen derselben umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Naht selektiv durch Kontaktieren des NCF mit einer erwärmten konturierten Walze oder einem erwärmten konturierten Stempel abgebaut wird oder selektiv durch einen Laser, ein gerastertes Induktionserwärmungswerkzeug oder Open-Air-Plasma abgebaut wird.