DE10301646B4

DE10301646B4 - Faden-oder Fasergelege, Verfahren und Vorrichtung zu seiner Herstellung und faserverstärkter Körper

Info

Publication number: DE10301646B4
Application number: DE2003101646
Authority: DE
Inventors: Siegfried Schleicher
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2023-01-18
Also published as: DE10301646A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Faden- oder Fasergelegen (1) in multidirektionalen Schichten (6, 6a, 6b), insbesondere als Halbzeug für die Verstärkung dreidimensionaler, dünnwandiger Körper aus Kunststoffen oder Harzen, bei dem jeweils ein quasi-endloses Faden- oder Faserstrangmaterial (2) jeweils einer Lege- und Trennvorrichtung (11) zugeführt wird, mittels der zumindest einige der Faden- oder Faserstränge (3) als einzelne Strangstücke (4) von dem quasi-endlosen Faden- oder Faserstrangmaterial (2) quer zur Faden- oder Faserstrangrichtung abgetrennt, in einen im Wesentlichen gleichen Orientierungszustand gebracht und spannungsfrei einander kreuzend in Schichten (6, 6a, 6b) abgelegt werden, und die Strangstücke (4) anschließend zueinander fixiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Faden- oder Fasergelegen in multidirektionalen Schichten, insbesondere als Halbzeug für die Verstärkung dreidimensionaler, dünnwandiger Werkstücke aus Kunststoffen oder Harzen, bei dem Faden- oder Faserstränge, einander kreuzend, in Schichten abgelegt werden und anschließend zueinander fixiert werden.
Daneben betrifft die Erfindung ein Faden- oder Fasergelege mit einer Vielzahl von Faden- oder Fasersträngen, die, einander kreuzend, in Schichten angeordnet und zumindest stellenweise zueinander fixiert sind. Schließlich betrifft die Erfindung einen faserverstärkten Körper.
Eine Mehrzahl solcher Verfahren zur Herstellung derartiger Gelege ist bekannt. Hierbei werden herkömmlicherweise die Faden- oder Fasergelege hergestellt, indem endlose Fäden in Zickzack-Lagen gespannt werden und das so entstandene Fadengitter dann beispielsweise durch Vernähen zu einem weiterverarbeitbaren Halbzeug fixiert wird.
Um eine hinreichende Stabilität der später hieraus anzufertigenden faserverstärkten Körper zu ermöglichen, ist es notwendig, die einzelnen Fäden möglichst gleichmäßig anzuordnen. Für eine hinreichende Festigkeitsausbildung ist es ebenso erforderlich, die einzelnen Fäden bzw. Fasern möglichst dicht zu packen. Um dies zu ermöglichen, wurde herkömmlicherweise das endlose Fasermaterial über Hakenanordnungen auf beiden Seiten des zu fertigenden Fasergeleges straff gespannt und dadurch ausgerichtet. Nachteilig ist jedoch hierbei, dass durch die stark vorgespannten Fasern ein dreidimensionales Umformen der Gelege zur Herstellung gebogener oder gewölbter Bauteile, Werkstücke oder faserverstärkter Körper nicht mehr in jedem Fall möglich ist.
Um ferner die Erhöhung der Festigkeit des späteren faserverstärkten Körpers zu ermöglichen, wurde bei klassischen Gelegen mit gestreckten Fäden oder Fasern die Packungsdichte der Fasern weiter erhöht, um somit bei gleichem Flächengewicht von Fasern zu immer größeren Festigkeiten im Bauteil zu gelangen. Aus Effektivitätsgründen der Herstellungstechnologie und auch aus Gründen der Kostenersparnis wurden hierbei möglichst viele Fasern auf einmal verlegt, wobei jeweils möglichst große Strangstärken der zu verlegenden Fasern bzw. Faserbündel vorgesehen wurden. Dies führte jedoch häufig dazu, dass insbesondere die inneren Fasern solcher Strangfaserbündel nicht mehr von Harz durchtränkt wurden und somit beschränkt zur Festigkeit beitragen konnten.
Daneben sind ein derartiges Verfahren sowie ein Gelege der eingangs genannten Art beispielsweise aus der DE 22 29 914 A1 bekannt. Das darin angegebene Verfahren bezieht sich auf die Herstellung lamellarer Streifen aus einer Metallfolie, wobei die Länge der abzuschneidenden Streifen der Breite der Metallfolienrolle entspricht. Die einzelnen abgeschnittenen Streifen werden in mehreren Schichten diagonal zueinander auf einem verschiebbaren Untergrund verteilt.
Bei einem solchen Verfahren erscheint es als nachteilig, daß die Länge der einzelnen Fasern durch die Breite der Metallfolienrolle definiert und unveränderbar vorgegeben ist, und auch ein Querschnitt der abgeschnittenen Fasern nur in seiner Breite, nicht aber in seiner durch die Dicke der Metallfolie vorbestimmten Größe oder seiner Form veränderbar ist.
Aus der EP 1 134 314 A1 ist ferner ein faserverstärkter Körper bekannt.
Ferner ist aus der US 2002/0124936 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem ein Faserbündel, das aus quasi-endlosen Fasern hergestellt wird, zwischen Zylindern zerteilt wird. Derart hergestellte Strangstücke fallen auf eine Rutsche, durch die sie auf einer Polypropylenfolie aufgeschüttet werden.
Hierbei erscheint es nachteilig, daß das Zerteilen der Fasern mit einer separaten Vorrichtung durchgeführt wird, wodurch sich die Prozesskette und der Herstellungsaufwand vergrößert. Zudem basiert das Aufbringen der Fasern auf der Polypropylenfolie auf einem Schüttprozeß, so daß die Dicke und Belastbarkeit der aufgeschütteten Strangstücke auf statistischen Gegebenheiten beruht.
In der NL 10 14 91 C ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasergelegen offenbart, bei denen eine Transfereinrichtung geschnittene Fasergewebesegmente aufnimmt, quer zur Bewegungsrichtung einer sich bewegenden Unterlage orientiert und auf der sich bewegenden Unterlage ablegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Faden- oder Fasergelegen sowie ein solches Faden- oder Fasergelege anzugeben, das zum einen verbesserte Verarbeitungseigenschaften aufweist, und bei des sen Herstellung unterschiedliche Strukturanforderungen, wie insbesondere Festigkeit und Verarbeitungseigenschaft lokal individuell und in effizienter Weise berücksichtigt werden können. Auch soll ein effizient herstellbarer, faserverstärkter Körper mit verbesserten Struktureigenschaften geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren zur Herstellung von Faden- oder Fasergelegen erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Für Faden- oder Fasergelege wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 24 gelöst.
Für einen faserverstärkten Körper wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 25 gelöst.
Schließlich wird die Aufgabe für eine Vorrichtung zur Herstellung von Faden- oder Fasergelegen erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 26 gelöst.
Indem, nicht wie bei herkömmlichen Verfahren, ein endloses Fadenmaterial verwendet wird, sondern erfindungsgemäß einzelne Strangstücke eines Faden- oder Faserstrangmaterials, die aus Endlosfäden oder -fasern hergestellt werden, zur Herstellung von Faden- oder Fasergelegen verwendet werden, ist es möglich, eine gute mechanische Umformbarkeit zu erzielen. Die ungespannten Fasern können sich beim Umformen noch verschieben bzw. strecken, so dass sie nicht überbeansprucht werden und nicht reißen.
Indem die Erfindung vorsieht, daß die Faden- oder Faserstränge von einem Faden- oder Faserstrangmaterial erzeugt werden, ist es möglich, die Länge der einzelnen von dem endlosen Faden- oder Faserstrangmaterial abgetrennten Strangstücke individuell zu bestimmen und hierdurch die Stabilität und Flexibilität des erzeugten Faden- oder Fasergeleges individuell und auch lokal unterschiedlich zu bestimmen. Indem ferner benachbarte, abgetrennte einzelne Strangstücke in einen gleichen Orientierungszustand gebracht werden, kann die Festigkeit in Faserstrangrichtung auch definiert entsprechend der einzelnen Fasern vorher bestimmt werden.
Auch ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Packungsdichte der Fasern weiter zu erhöhen und somit einem kleinen Flächengewicht von Fasern zu immer größeren Festigkeiten im Bauteil zu gelangen. Hierbei können aus Effektivitätsgründen der Herstellungstechnologie und auch aufgrund von Kostenersparnis viele Fasern auf einmal verlegt werden, wobei bereits von einem möglichst großen Faserbündel in möglichst dicken Faden ausgegangen werden kann. Vorzugsweise wird das Faden- oder Faserstrangmaterial, das bei seiner Anlieferung einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweist, vor, beim oder nach dem Verlegen mit einer im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsform versehen. Es wird also seine runde Außenform in eine rechteckige Außenform umgeformt, so dass sich ein breites, rechteckförmiges Faserband ergibt. Das quasi-runde Faserausgangsbündel wird dabei zu einem möglichst gleichmäßigen und breiten Band in verlegtem Zustand gebracht.
Auf diese Weise lassen sich hohe Packungsdichten mit weniger Hohlräumen für die Harzeinlagerungen erzielen, die dennoch beim mechanischen Herstellungsprozess einer dreidimensionalen, größeren Wölbung in einer Pressform nicht zu Lochbildungen im Festigkeitsträgerfadengelege bzw. -gewebe führen, da die einzelnen Fasern aufgrund ihrer geringen Länge und spannungsfreien Anordnung sich in dem Halbkörper umorientieren können und somit nicht zerreißen.
Insbesondere lassen sich gemäß dem erfinderischen Verfahren hergestellte Faden- oder Fasergelege als breite Bänder herstellen und verarbeiten, da die herkömmlich zu bändigenden Faserspannkräfte während der Faserverlegung entfallen. Gerade die Möglichkeit der Erhöhung der Packungsdichte und die gleichmäßige Verteilung der Fasern über das gesamte Gelege schafft einen universell einsetzbaren Halbzeugkörper für die Verstärkung und Herstellung faserverstärkter Körper, insbesondere dreidimensionaler, dünnwandiger Werkstücke aus Kunststoffen oder Harz, wie sie in allen Bereichen der Industrie mit zunehmend größeren Abmessungen als bisher gefordert werden.
Einsatzbeispiele sind schussfeste Auskleidungen für gepanzerte Pkws, Helme zum Kopfschutz, Formkörper ebenso wie auch Karosserieteile, Möbelversteifungen, Laborwannen und dergleichen. Hierbei können Bauteile oder Werkstücke, die ein Faden- oder Fasergelege in multidirektionalen Schichten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufweisen, die unterschiedlichste Gestalt oder Form besitzen. Erfindungsgemäß kann das Verfahren zur Herstellung solcher Gelege an die jeweiligen Anforderungen für die Fertigteile angepasst werden.
Indem das Faden- oder Fasergelege aus einem Faserstrangmaterial hergestellt ist, ist es wiederum möglich, die Länge der einzelnen Faserstrangstücke individuell zu bestimmen und an die jeweiligen lokalen Festigkeits- und Flexibilitätsanforderungen laufend anzupassen, wodurch sich ein Faden- oder Fasergelege mit deutlich verbesserten Verarbeitungseigenschaften ergibt.
Derartige Gelege und mit ihnen gebildete faserverstärkte Körper finden insbesondere auch dort Verwendung, wo Metalle als Bauteilwerkstoffe zwar verbreitet, aber aufgrund ihrer Eigenschaften dennoch nicht optimal einsetzbar sind. So sind der Einsatz von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten Kompositbauteilen, insbesondere im Flugzeugbau für tragende und auch für abdeckende, verkleidende und ähnliche Bauteile, einsetzbar. Flügel von Windkraftanlagen sind hier ebenfalls zu nennen, wie auch jegliche Art von land- und wassergebundenen Fahrzeugen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Im Folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Gegenstände anhand einer Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Faden- oder Fasergelege;
2 eine Draufsicht auf ein in 1 gezeigtes Gelege während dessen Herstellung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens;
3 eine Ausführungsvariante zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
4 einen Längsschnitt durch ein gemäß dem erfinderischen Verfahren hergestelltes Gelege während dessen Herstellung.
Ein Faden- oder Fasergelege 1, wie es beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt ist, besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Schichten 6, 6a, 6b einzelner Faden- oder Faserstränge 3 von im Wesentlichen gleichsinniger Orientierung. Derartige Faden- oder Faserstränge 3 werden hierbei von einem Faden- oder Faserstrangmaterial 2, das in großen Rollen als sogenanntes Endlosmaterial angeliefert wird, in einzelne Strangstücke 4 abgetrennt.
Hierbei wird das endlose Faden- oder Faserstrangmaterial 2 einer sogenannten Lege- und Trenneinrichtung 11 zugeführt, die ein einzelnes (oder mehrere) zu verlegendes Strangstück 4 eines Faden- oder Faserstranges 3 von dem endlosen Faden- oder Faserstrangmaterial 2 abtrennt und an einer gewünschten Stelle innerhalb einer Schicht 6a, 6b des zu fertigenden Geleges 1 positioniert, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist.
Während des Durchlaufs des Faden- oder Faserstranges 3 durch die Lege- und Trenneinrichtung 11 wird der Faserstrang in seinem Aufbau so verändert, dass der angelieferte Faden- oder Faserstrang 3 mit rundem Querschnitt 6 zu einem solchen mit rechteckigem Querschnitt 7 umgeformt wird. Hierbei kann die Umformung vor, während oder nach dem Abtrennen des einzelnen zu verlegenden Strangstückes 4 von dem endlosen Faden- oder Faserstrang 3 vorgenommen werden.
Auch ist es denkbar, die Umformung erst nach dem Ablegen der einzelnen Strangstücke 4 in der Schicht 6 vorzunehmen, wofür beispielsweise auch Klemmmittel 8, wie die in 4 dargestellten Andrückrollen, Verwendung finden können.
Innerhalb einer Schicht 6a, 6b, 6 (vgl. 2 bis 4) wird jeweils eine Vielzahl abgetrennter Strangstücke 4, benachbart zueinander, mit im Wesentlichen gleicher Orientierung abgelegt. Hierbei ist es jedoch auch denkbar, dass die einzelnen Strangstücke 4 einer Schicht leicht schräg zueinander abgelegt werden, so dass sich eine leichte Überlappung der einzelnen Fasern einer Schicht 6, 6a, 6b ergibt.
Das Verlegen der einzelnen Strangstücke einer Schicht bzw. orientierten Schicht 6, 6a, 6b erfolgt, indem mindestens ein Faden- oder Faserstrang 3 durch mindestens eine kombinierte Lege- und Trenneinrichtung 11 mit hoher Geschwindigkeit hindurchgeführt wird und als abgetrenntes Strangstück 4 auf einem Ablegegrund 9 abgelegt wird. Benachbarte Strangstücke werden im Wesentlichen parallel zueinander abgelegt, so dass eine Strangreihe 5, 5a, 5b entsteht, indem die Lege- und Trenneinrichtung 11 quer zur Längsrichtung L des Geleges 1 über den Ablegegrund 9 verfahren wird, wie dies in 2 dargestellt ist. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Lege- und Trenneinrichtung 11 stationär zu halten und den Ablegegrund 9 ihr gegenüber zu bewegen.
Nach dem Ablegen eines umgeformten Strangstückes 4 wird dieses zu seiner Umgebung hin, insbesondere relativ zum Ablegegrund 9 fixiert. Während des Ablegens einzelner Strangstücke 4 sind die Lege- bzw. Trenneinrichtungen 11 als Teil einer Gelegeherstellungsvorrichtung entsprechend der zu erzeugenden richtungsorientierten Faserrichtung der jeweiligen Schicht 6 ausgerichtet. Während des Ablegens der einzelnen Strangstücke 4 einer Strangreihe 5, 5a, 5b vollführt die Lege- und Trenneinrichtung 11 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Relativbewegung, die eine Querbewegungskomponente B₁ relativ zum Ablegegrund 9 und eine Längsbewegungskomponente L₁ relativ zum Ablegegrund 9 aufweist.
Gleichzeitig wird der Ablegegrund 9 in Längsrichtung L des zu erzeugenden Geleges 1 relativ zur Lege- und Trenneinrichtung 11 bewegt, so dass bei jedem nächsten Querbewegungsdurchlauf der Lege- und Trenneinrichtung 11 die abgelegten Strangstücke 4 einer Strangreihe 5 etwas überdeckend zu den Strangstücken 4 des vorangegangenen Querbewegungsdurchlaufes abgelegt werden. Auf diese Weise können mehrere, geringfügig voneinander abweichende Orientierungen einzelner Strangstücke 4 bzw. Strangreihen 5 auch innerhalb einer orientierten Schicht 6 erzeugt werden, was zur zusätzlichen Verfestigung und Steifigkeit des Fertigproduktes führt.
Nach der Erzeugung einer ersten orientierten Schicht 6a, bei der die jeweilige Lege- und Trenneinrichtung 11 um einen ersten Orientierungswinkel α um eine Achse senkrecht zum Ablegegrund 9 gedreht war, erfolgt die Herstellung einer zweiten orientierten Schicht 6b, bei der die Lege- und Trenneinrichtung 11 um einen Winkel –α, gedreht zum Verlegen der einzelnen Strangstücke 4 über dem Ablegegrund 9, entlang der Breitenrich tung B₁ geführt wird (vgl. 2). Hierbei ist es möglich, dass mehrere gleich oder unterschiedlich orientierte Lege- und Trenneinrichtungen 11 gemeinsam eine Strangreihe 5 einer Schicht 6 erzeugen, wie in 3 gezeigt. Jedoch ist es ebenso möglich, dass eine Lege- und Trenneinrichtung 11 eine Strangreihe einer ersten Schicht 6b erzeugt, während gleichzeitig eine stromab von der ersten Lege- und Trenneinrichtung 11 angeordnete zweite Lege- und Trenneinrichtung 11 eine zweite Strangreihe 5b einer zweiten Schicht 6b erzeugt.
Hierdurch kann eine kontinuierlich fließende Fertigung des Geleges 1 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden, wobei der hierfür benötigte Platzbedarf gering gehalten werden kann, damit auf einem relativ kurzen Ablegegrund 9 ein in Längsrichtung quasi endloses Gelege 1 erzeugt werden kann.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, anstelle von jeweils einzelnen oder wenigen Lege- und Trenneinrichtungen 11 zur Erzeugung einer Strangreihe eine Vielzahl solcher Lege- und Trenneinrichtungen 11 vorzusehen, wie es in 3 gezeigt ist.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Faden- oder Fasergelegen 1 in multidirektionalen Schichten wird eine erste Schicht 6 erzeugt, indem eine Vielzahl gleichgerichteter Lege- und Trenneinrichtungen 11 parallel zueinander orientiert jeweils einen Faden- oder Faserstrang 3 weiter verarbeitet. Das jeweils angelieferte endlose Faden- oder Faserstrangmaterial 2 wird hierbei, wie bereits zuvor beschrieben, von den einzelnen Lege- und Trenneinrichtungen 11 von einem runden in einen rechteckigen Querschnitt umgeformt und in Strangstücke 4 abgetrennt, die dann auf den Ablegegrund 9 abgelegt werden.
Zur beschleunigten Erzeugung einer Schicht ist es hierbei denkbar, gleichorientierte Lege- und Trenneinrichtungen 11a, 11b, die in ihrer Längsrichtung versetzt angeordnet sind, zu verwenden, so dass quasi gleichzeitig zwei Strangreihen 5a, 5b diagonal zur Längsrichtung L des Geleges 1 abgelegt werden können. Zusätzliche weitere Lege- und Trenneinrichtungen 11 können den beschriebenen Lege- und Trenneinrichtungen 11a, 11b nachfolgend angeordnet sein, um mittels ihrer Hilfe eine zweite Schicht in diagonal anders gerichteter Orientierung auf der ersten abzulegen, wobei die erste Schicht dann als Ablegegrund dient.
Selbstverständlich ist es auch möglich, nicht nur, wie zuvor beschrieben, zwei Schichten 6a, 6b übereinander anzuordnen, sondern auch Fasergelege aus drei und mehr Schichten sind durchaus denkbar und wünschenswert, da dies die Festigkeit des Endproduktes erhöht. Hierbei kann jede Schicht einzeln, wie in 4 dargestellt, mittels Klemmmitteln 8, insbesondere mittels Andruckrollen, verfestigt werden bzw. die einzelnen Strangstücke 4 in ihrer Lage zueinander fixiert oder vereinheitlicht werden, jedoch kann eine derartige Behandlung auch mit allen Schichten gleichzeitig erfolgen.
Bei dem beschriebenen Verfahren, bei dem eine Schichtreihe 5 mittels mehrerer nebeneinander angeordneter Strangstücke 4 erzeugt wird, wächst die Schicht 6 in der Längsrichtung des Fasergeleges 1 um den jeweils nicht überlappenden Bereich eines Strangstücks zu dem Strangstück, das in der Schichtreihe zuvor abgelegt wurde. Bevorzugte Teilungen zwischen zwei Strangreihen können zwischen einem Viertel und der Dreiviertellänge der zu verlegenden Strangstücke 4 vorgesehen werden.
Wie zuvor beschrieben, können mehrere verschieden orientierte Schichten 6a, 6b durch in Längsrichtung L hintereinander über dem Ablegegrund 9 angeordnete und in verschiedenen Winkeln α orientierte Ablegeeinrichtungen 11 erzeugt werden.
Alternativ oder kumulativ zu den mechanischen Klemmmitteln 8, wie sie zur Fixierung der Strangstücke 4 einer Schicht 6 in 4 gezeigt sind, können die einzelnen Strangstücke 4 durch Nähwirken oder Verweben zueinander fixiert werden. Auch ein insbesondere punktförmiges, Verkleben bzw. ein Fixieren durch Mittel mit klebender Wirkung der einzelnen Strangstücke 4 zueinander ist denkbar. Hierbei werden die Strangstücke vorzugsweise gegenüber dem Ablegegrund 9 fixiert, wobei der Ablegegrund 9 eine jeweils unterhalb der anzufertigenden Schicht 6 liegende Schicht sein kann. Jeweils äußere Schichten 6, 6c, 6d können hierbei an Deck-/Trägerschichten 10a, 10b fixiert werden, welche als Ablegegrund 9 und/oder als Abdeckschicht ausgebildet werden. Die Deck-/Trägerschichten 10a, 10b, wie sie in 1 schematisch dargestellt sind, können hierbei sowohl aus einem Vliesmaterial ausgebildet sein, wie auch als dünne Folie oder dünnes Blech aus Metall, Kunststoff oder Naturmaterialien, wie insbesondere Zellulosematerialien.
Wie zuvor beschrieben, erfolgt das Ablegen der einzelnen Faden- oder Faserstränge in abgetrennten flach ausgebreiteten Strangstücken 4 nur endlicher Länge, wobei das Ablegen mehr oder weniger regelmäßig wiederholt wird, um einen Schichtzuwachs gleicher Faserorientierung in der Längsrichtung zu erzeugen.
Verschieden orientierte, flach ausgebreitete Fasern zweier benachbarter Schichten kreuzen sich direkt an den Schichtaußenseiten miteinander, wodurch eine besondere Steifigkeit des gefertigten Werkstückes bzw. Faserverstärkten Körpers erzielt werden kann. Die gute Querschnittsverflachung (Ausbreitbarkeit) der einzelnen Strangstücke bzw. Faserpakete, ermöglicht es, sehr dünne Schichten herzustellen und bei gleichem Flächengewicht mit Mehrschichten zu arbeiten, was wohl Packungsdichten erzielen lässt, die weniger Hohlstellen für unnütze Harzaufnahme aufweisen. Durch die dadurch erzeugte Erhöhung der Anzahl der Faserkreuzungspunkte können auch sehr dünnwandige dreidimensionale Formen nahezu beliebig gestaltet werden.
Weitere Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die verbesserte maschinelle Formbarkeit/Umformbarkeit der Gelege bei hoher Festigkeit des fertigen dreidimensionalen Bauteils infolge eines besseren Fließverhaltens beim quasi Tiefziehen der Faden- oder Fasergelege 1 als Halbzeug durch die nur endlichen und nicht vorgespannten Langfasern.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Faden- oder Fasergelege weist eine höhere Festigkeit durch erhöhte Packungsdichte auf, welche den Festigkeitsverlust in Folge geschnittener, endlicher Strangstücke der Faden- oder Faserstränge ausgleicht. Dies wird erreicht durch weniger Hohlstellen infolge besserer Querschnittsverflachung im endlich langen Faserpaket, durch volle Harzdurchtränkung, auch beim Einsatz kostengünstiger, großer runder bzw. ovaler Fadenquerschnitte (heavy tows) des Ausgangsfaden- oder Faserstrangmaterials aufgrund besserer Querschnittsverflachung im abgelegten Faserpaket und durch mehr Kreuzungspunkte an den Schichtgrenzen, wenn mehr dünnere Schichten verschiedener Orientierung realisiert werden können.
Wenn auch grundsätzlich eine einheitliche Faserdicke und -struktur des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu fertigenden Faden- oder Fasergeleges erwünscht wird, ist auch eine gezielte lokale Festigkeitserhöhung einfach erzielbar, indem lokal höhere Fa seranhäufungen in der erforderlichen Orientierung ausgeführt werden oder bei Aussparungen einfach das Ablegen der Strangstücke an den Stellen einer Aussparung reduziert oder abgeschaltet wird.
Hierdurch wird eine hohe Flexibilität in der Gelegestruktur ermöglicht, wobei beliebige Richtungen und ein quasi isotropes Laminat erzeugt werden kann, weshalb das erfindungsgemäße Verfahren auch für flexible, automatisierte Produktumstellungen geeignet und einsetzbar ist. Hierbei ist das Verfahren günstig anpassbar für die Auslegung von Einzelfertigungen bis hin zur Massenfertigung von Halbzeugen, wodurch eine hohe Produktivität von Gelegeerzeugungsvorrichtungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten, sicher gewährleistet ist.
Durch kontinuierliches Ablegen der Strangstücke können Endlosgelege erzeugt werden, deren Abmessungen nur durch die Breite der Gelegeherstellungsvorrichtung begrenzt wird. Eine Faserumkehrproblematik am Seitenrand tritt nicht auf, so dass auch Gelege mit großer Breite gefertigt werden können. Auch gibt es keine reduzierten Festigkeiten bzw. keine Faserverluste vom Seitenrand.
Verfahrensgemäß hergestellte Gelege sind wegen ihrer guten Festigkeit auch mit Vorteilen anstelle der klassischen Gelege und Gewebe einsetzbar, wenn nicht so stark dreidimensional geformte Teile herzustellen sind. Der Platzbedarf einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden, erfinderischen Faden- oder Fasergelegeherstellungsvorrichtung bzw. einer solchen Halbzeug-Herstellungsanlage für Fadengelege ist auch deutlich geringer als für herkömmliche Anlagen.
Eine Fixierung einzelner Fäden untereinander bzw. an ihrer Umgebung erfolgt vorteilhafterweise durch punktförmiges Zusammenkleben der sich kreuzenden Fäden, wobei bereits mit dem späteren Matrixmaterial in klebriger oder dahingehend aktivierbarer Konsistenz gearbeitet werden kann. Bei einer Halbzeugerzeugung als „prepregs” kann das Matrixkunststoffharz die komplette Fixierung der sich kreuzenden Fäden übernehmen. Auch ist es denkbar, Gelege herzustellen, bei dem die einzelnen Strangstücke in Kurven verlegt werden, so dass der Faserverlauf der späteren Faserverstärkten Körper, insbesondere bei der dreidimensionalen Formgebung des Geleges bereits bei dessen Herstellung berücksichtigt werden kann, um so die Haltbarkeit zusätzlich zu vergrößern.
Die Umformung der vorgefertigten Gelege in die gewünschten dreidimensionalen Formen kann durch manuelle Umformung ebenso geschehen, wie durch technologische Verlegeverfahren, insbesondere durch dreidimensionale Formgebungsverfahren, wie Formpressen oder dergleichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Faden- oder Fasergelegen (1) in multidirektionalen Schichten (6, 6a, 6b), insbesondere als Halbzeug für die Verstärkung dreidimensionaler, dünnwandiger Körper aus Kunststoffen oder Harzen, bei dem jeweils ein quasi-endloses Faden- oder Faserstrangmaterial (2) jeweils einer Lege- und Trennvorrichtung (11) zugeführt wird, mittels der zumindest einige der Faden- oder Faserstränge (3) als einzelne Strangstücke (4) von dem quasi-endlosen Faden- oder Faserstrangmaterial (2) quer zur Faden- oder Faserstrangrichtung abgetrennt, in einen im Wesentlichen gleichen Orientierungszustand gebracht und spannungsfrei einander kreuzend in Schichten (6, 6a, 6b) abgelegt werden, und die Strangstücke (4) anschließend zueinander fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das quasi-endlose Faden- oder Faserstrangmaterial (2) einen runden oder ovalen Querschnitt (6) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Wesentlichen alle Faden- oder Faserstränge (3) des Faden- oder Fasergeleges (1) als Strangstücke (4) mit endlicher Länge ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die jeweils benachbarten Strangstücke (4) jeder Schicht (6, 6a, 6b) mit im Wesentlichen gleicher Orientierung abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei die einzelnen Strangstücke (4) einer Schicht (6, 6a, 6b) parallel oder leicht schräg zueinander abgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strangstücke (4) im Wesentlichen jeweils nebeneinander in Strangreihen (5, 5a, 5b) abgelegt werden, wobei mehrere Strangreihen (5, 5a, 5b) eine Schicht (6, 6a, 6b) bilden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Strangreihen (5, 5a, 5b) über die gesamte Breite (B) des Faden- oder Fasergeleges ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine abgelegte Strangreihe (5a) in Längsrichtung (L) des Faden- oder Fasergeleges (1) von einer nachfolgend abgelegten Strangreihe (5b) teilweise überdeckt wird.
Verfahren nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strangstücke (4) leicht schräg zur Längsrichtung (L) des Faden- oder Fasergeleges (1) abgelegt werden, so dass sich eine leichte Überlappung der einzelnen Fasern einer Schicht (6, 6a, 6b) ergibt.
Verfahren nach jeweils einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Strangstücke (4) einer Strangreihe (5) im Wesentlichen gleichzeitig abgelegt werden.
Verfahren nach jeweils einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Strangstücke zweier oder mehrerer in Längsrichtung (L) zueinander versetzter Strangreihen (5a, 5b) im Wesentlichen gleichzeitig abgelegt werden.
Verfahren nach jeweils einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Faden- oder Faserstrangmaterial (2) von einer im Wesentlichen runden Querschnittsform (6) in eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform (7) umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Querschnittsumformung vor dem Abtrennen der Strangstücke (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Querschnittsumformung beim oder nach dem Abtrennen der Strangstücke (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Querschnittsumformung nach dem Ablegen der Strangstücke (4) erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Strangstücke (4) einer Schicht (6) durch mechanische Klemmmittel (8), beispielsweise Walzenpaare, temporär fixiert werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Strangstücke (4) durch Näh-Wirken oder Verweben zueinander fixiert werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Strangstücke (4) durch klebende Mittel zueinander fixiert werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Strangstücke (4) einer Schicht (5) auf einem Ablegegrund (9) abgelegt werden, wobei der Ablegegrund (9) in Längsrichtung (1) des Faden- oder Fasergeleges (1) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Ablegegrund (9) durch eine bereits vorher abgelegte Schicht (6a) gebildet wird, gegen welche die Strangstücke (4) einer darüber gelegten Schicht (6b) fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Strangstücke (4) außenliegender Schichten (6c, 6d) an Deck-/Trägerschichten (10a, 10b) fixiert werden, welche als Ablegegrund (9) und/oder Abdeckschicht ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Deck-/Trägerschichten (10a, 10b) aus Vliesmaterial ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Deck-/Trägerschichten (10a, 10b) als Folie oder dünnes Blech aus Metall, Kunststoff und/oder Zellulosematerialien ausgebildet werden.
Faden- oder Fasergelege (1), hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, mit einer Vielzahl von Faden- oder Fasersträngen (3) als einzel ne Strangstücke (4) endlicher Länge, die in einem im Wesentlichen gleichen Orientierungszustand zueinander in Schichten (6, 6a, 6b) abgelegt sind, wobei die einzelnen Strangstücke (4) unterschiedlicher Schichten (6, 6a, 6b) einander kreuzend abgelegt sind, und die Strangstücke (4) zumindest stellenweise zueinander fixiert sind.
Faserverstärkter Körper, insbesondere Kunststoff- oder Harzkörper, mit einem Faden- oder Fasergelege (1) nach Anspruch 24, bei dem das Faden- oder Fasergelege (1) im Wesentlichen vollständig von einem Kunststoff- oder Harzmaterial umgeben ist.
Vorrichtung zur Herstellung von Faden- oder Fasergelegen (1), zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, aufweisend eine Lege- und Trennvorrichtung (11), durch die einzelne Strangstücke (4) von jeweils einem zugeführten, quasi-endlosen Faden- oder Faserstrangmaterial (2) abtrennbar sind, in einen im Wesentlichen gleichen Orientierungszustand bringbar und spannungsfrei auf einem Ablegegrund (9) ablegbar sind, und eine Bewegungseinrichtung, durch die die Lege- und Trenneinrichtung (11) und der Ablegegrund (9) relativ zueinander bewegbar sind, wobei Fixiermittel zur Fixierung der abgelegten Strangstücke (4) vorgesehen sind.