DE112014007131T5

DE112014007131T5 - Verstärkungsgewebe zum Verstärken eines schlagfesten oder strukturellen Verbundteils

Info

Publication number: DE112014007131T5
Application number: DE112014007131.5T
Authority: DE
Inventors: Henk Cornelus; Veerle Van Wassenhove; Julien WILKIN
Original assignee: Bekaert NV SA; Tenneco Automotive Operating Co Inc
Current assignee: Bekaert NV SA; Tenneco Automotive Operating Co Inc
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2017-07-20
Also published as: WO2016070905A1; CN107206710A

Abstract

Ein Verstärkungsgewebe (120, 220) zum Verstärken eines schlagfesten und/oder strukturellen Verbundteils umfasst einen nichtmetallischen Träger (124, 224), auf den ein oder mehrere Stahldrähte (128, 228) genäht sind. Die Stahldrähte umfassen ein oder mehrere Stahlfilamente, deren Zugfestigkeit höher als 2000 N/mm2 ist. Das Nähen der Stahldrähte erfolgt in einer gekrümmten Trajektorie. Das Verstärkungsgewebe ermöglicht das Verstärken komplexer Verbundteile mit Stahldraht. Im Gegensatz zu bekannten Geweben mit paralleler Stahllitze zum Verstärken von Verbundteilen stellt das Gewebe eine formschlüssige Verankerung der Stahllitze an den Biegungen sicher. Auch werden Verfahren zum Herstellen des Verstärkungsgewebes anhand von plastischem Biegen des Drahts und/oder der erhöhten Stichanzahl pro Einheitenlänge in Bereichen mit kleinen Krümmungsradien beschrieben.

Description

Ein Verstärkungsgewebe (120, 220) zum Verstärken eines schlagfesten und/oder strukturellen Verbundteils umfasst einen nichtmetallischen Träger (124, 224), auf den ein oder mehrere Stahldrähte (128, 228) genäht sind. Die Stahldrähte umfassen ein oder mehrere Stahlfilamente, deren Zugfestigkeit höher als 2000 N/mm² ist. Das Nähen der Stahldrähte erfolgt in einer gekrümmten Trajektorie. Das Verstärkungsgewebe ermöglicht das Verstärken komplexer Verbundteile mit Stahldraht. Im Gegensatz zu bekannten Geweben mit paralleler Stahllitze zum Verstärken von Verbundteilen stellt das Gewebe eine formschlüssige Verankerung der Stahllitze an den Biegungen sicher. Auch werden Verfahren zum Herstellen des Verstärkungsgewebes anhand von plastischem Biegen des Drahts und/oder der erhöhten Stichanzahl pro Einheitenlänge in Bereichen mit kleinen Krümmungsradien beschrieben.
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verstärkungsgewebe, das einen nichtmetallischen Träger und zumindest einen Stahldraht umfasst, der durch Stiche an dem Träger gehalten wird, zum Verstärken eines strukturellen und/oder schlagfesten Verbundteils.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Schlagfeste und/oder strukturelle Verbundteile (im Folgenden mit 'Verbundteil' abgekürzt) sind beispielsweise Aufprallträger, Prallelemente für Aufprallträger, A-, B- oder C-Säulen in Autos, Sitzschalen und dergleichen. Sie werden gewöhnlich durch Formen halbfertiger Platten, die eine thermoplastische Polymermatrix umfassen, und Verstärkungsfasern zusammen in einer Form hergestellt. Die Verstärkungsfasern sind gewöhnlich in Gewebeform bereitgestellt und umfassen Glas- oder Kohlefaser. Das Gewebe kann aus den Fasern selbst hergestellt – wie in einer Webebindung – oder in einer unidirektionalen oder multiaxialen Fasergelegestruktur gehalten sein. In letzter Zeit werden Versuche unternommen, Stahldrähte oder -litzen als Verstärkungen in Verbundteile aufzunehmen.
WO 2005/118263A1 beschreibt beispielsweise ein Textilprodukt, das zumindest eine Schicht nichtmetallischer Fasern und Metalllitzen – wie beispielsweise Stahllitzen – die durch Stiche mit dieser Schicht nichtmetallischer Fasern verbunden sind, umfasst. Die Metalllitzen sind im Wesentlichen gerade und zueinander parallel. Die Funktion der Schicht und der Stiche besteht darin, die Metalllitzen während des Verdichtens des geschmolzenen Polymermaterials im Pressformverfahren zu halten.
EP0567845A beschreibt eine formbare Verstärkungsstruktur mit einer Trägerschicht und nichtmetallischen Verstärkungsfäden, die in einem gekrümmten Pfad daran befestigt sind. Die Befestigung erfolgt durch Heftfäden aus Glas, Polyamid, Polyester oder Baumwolle. Das Produkt und das beschriebene Tailored-Fibre-Placement(TFP)-Verfahren bietet Vorteile in der Gestaltungsoptimierung oder Gestaltungsfreiheit. Verstärkungsfasern werden entsprechend den erwarteten Kraftlinienverteilungen angeordnet.
US 2004/074589 A1 beschreibt ein Tailored-Fibre-Placement(TFP)-Verfahren, wobei Verstärkungsfasern mittels eines chemisch oder thermisch schmelzbaren Fixierfadens auf ein Substrat genäht werden, wodurch eine Verstärkungsfaserstruktur gebildet wird. Der Fixierfaden dient zuerst dazu, die Verstärkungsfasern auf dem Substrat zu fixieren, und wird danach geschmolzen, so dass sich der Fixierfaden auflöst, während die Verstärkungsfasern vorfixiert werden, ohne dass die mechanischen Eigenschaften der Verstärkungsfaserstruktur beeinflusst werden.
DE 10 2008 043527 A1 beschreibt ein dehnbares elektrisches Heizelement, das einen elastomeren Träger und eine kohlenstoff- oder metallbasierte Litze umfasst, die darauf genäht ist. Es werden unter anderem 'Stahldrähte' erwähnt (Absatz [0027]), jedoch ohne Bezug auf ihren Typ oder ihre Stärke. Die Funktion der kohlenstoff- oder metallbasierten Litze besteht darin, Strom zu leiten und dadurch Wärme zu erzeugen. Das beschriebene Produkt ist deshalb zum Verstärken eines Verbundteils ungeeignet: Es dehnt sich und verleiht keine Stärke.
Die Nutzung von Stahllitze oder Stahldraht als Verstärkung von Kunststoff (wie beispielsweise in WO 2005/118263A1 beschrieben) bietet besondere Vorteile, die bei der Nutzung von Faserverstärkungen, die auf den üblichen künstlich hergestellten Fasern wie beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern, Kohlefasern oder ähnlichen Materialien basieren, nicht gegeben sind. Insbesondere Stahllitzen- oder Stahldrahtverstärkung eines Kunststoff-Verbundteils führt zu einer erhöhten Energieabsorptionsfähigkeit beim Aufprall. Weiterhin behalten Kunststoffteile, die mit Stahllitze oder Stahldraht verstärkt sind, ihre Integrität beim Aufprall – im Gegensatz zu den gängigen Verstärkungsmaterialien. Während glas- oder kohleverstärkte Aufprallträger beim Aufprall in Stücke zerspringen – und dadurch ein Sicherheitsrisiko bilden – bleiben stahldraht- oder stahllitzenverstärkte Träger weitgehend in einem – wenn auch stark verformten – Stück.
Die Formen oder Muster, in denen ein Verstärkungsgewebe aus Stahllitze oder Stahldraht angeboten werden kann, sind gegenwärtig darin beschränkt, dass es unidirektional ist, da die Stahldrähte parallel angeordnet sind (beispielsweise durch Nähen WO 2005/118263 , durch Kettenwirkerei WO 2009/062764 A1 , durch Weben WO 2001/044549 , durch Umhüllen in einem Streifen WO 2003/076234 ). Eine multidirektionale Verstärkung kann nur durch Stapeln von Schichten unidirektionaler Verstärkung in verschiedenen Richtungen erreicht werden. Dies behindert die Nutzung von stahllitzen- oder stahldrahtbasierten Verstärkungsschichten für bestimmte Anwendungen, wo beispielsweise Löcher in das Verbundteil eingebracht werden müssen oder das Verbundteil eine komplexe Form aufweist, beispielsweise eine Kreis- oder Kugelform. Diese Beschränkung auf eine unidirektionale Verstärkung ist ein Nachteil für die Einführung von Stahllitzen oder Stahldraht als Verstärkung in Verbundteilen.
Offenbarung
Die Hauptaufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen eines stahldrahtbasierten Verstärkungsgewebes zum Verstärken eines schlagfesten und/oder strukturellen Verbundteils ('Verbundteil'), das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Eine Hauptaufgabe dieser Erfindung ist das Bereitstellen eines stahldrahtbasierten Verstärkungsgewebes für ein Verbundteil mit einer verbesserten Gestaltungsfreiheit. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist das Bereitstellen von Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verstärkungsgewebes zum Verstärken eines Verbundteils. Schließlich werden Verbundteile beschrieben, die das Verstärkungsgewebe mit Vorteilen gegenüber dem bekannten Stand der Technik umfassen. Kurzum: Den Erfindern gelang es, das Stickverfahren oder Tailored-Fibre-Placement für die Nutzung mit Stahldrähten anzupassen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verstärkungsgewebe zum Verstärken eines schlagfesten oder strukturellen Verbundteils bereitgestellt, das einen nichtmetallischen Träger und zumindest einen Stahldraht umfasst: Der Stahldraht umfasst einen oder mehrere Stahlfilamente, und jedes beliebige der Filamente weist eine Zugfestigkeit größer als 2000 N/mm² auf. Zumindest ein Stahldraht wird durch Stiche in einer gekrümmten Trajektorie an dem Träger gehalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff 'schlagfestes und/oder strukturelles Verbundteil' oder kurz 'Verbundteil' auf ein beliebiges Teil, wobei Strukturfestigkeit oder Schlagfestigkeit jenes Teils durch die Kombination eines Verstärkungsgewebes und einer Polymermatrix erreicht wird. Schlagfeste Teile sind beispielsweise in dem Crashmanagementsystem eines Autoteils wie beispielsweise einem vorderen oder hinteren Aufprallträger eines Autos, oder den Prallelementen hinter dem Aufprallträger, oder einem Aufhängungsfederteller enthalten. Strukturelle Verbundteile sind beispielsweise die A-, B-, C- oder D-Säule eines Fahrzeugs, eine Sitzschale, ein Sitz oder ähnliche Produkte. Es gilt zu beachten, dass 'schlagfeste Teile' und 'strukturelle Verbundteile' sich nicht gegenseitig ausschließen: Ein Aufprallträger ist ebenso ein strukturelles Teil, und eine Säule muss auch etwas Schlagfestigkeit aufweisen.
Gemäß der Erfindung schließt der Begriff 'nichtmetallischer Träger' einfach Metall als Material für den Träger aus. Der nichtmetallische Träger kann ein gewebtes oder nichtgewebtes Gewebe oder ein Gewirke aus nichtmetallischen Fasern wie beispielsweise ein Gitterstoff ('ein Gewebe mit offener Konstruktion, das als Grundgewebe in der Herstellung beschichteter oder laminierter Gewebe verwendet wird' oder 'ein Gewebe, das mit zwei Fadenscharen hergestellt ist, die rechtwinklig zueinander gelegt und mit einem Klebstoff verbunden sind') sein. Alternativ kann der nichtmetallische Träger eine Schicht, Bahn, ein Film oder Netz sein. Die nichtmetallischen Fasern können natürlichen Ursprungs, z. B. Baumwolle, Flachs, Wolle usw. oder künstlich hergestellte Fasern, z. B. Polyamid (6 oder 6.6) Polyolefinfasern (wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen), Polyaramidfasern, oder Glas- oder Kohlefasern oder sogar Mineralfasern sein. Filme, die genutzt werden können, sind beispielsweise Polyethylen, Celluloid, Polyester oder Polyamid.
Die Funktion des Trägers besteht darin, dass er den Kräften, die von dem Stahldraht auf ihn ausgeübt werden, widerstehen muss, und es muss sich einfach darauf nähen lassen. Auch muss der Träger die Stahldrähte während des Formprozesses an der richtigen Stelle halten. Vorzugsweise weist der nichtmetallische Träger eine offene Struktur auf, durch die während des Formens eine Polymermatrix eindringen kann. Möglicherweise kann der Träger beim Bearbeiten des Verstärkungsgewebes verloren gehen. Dies kann durch Wählen der Zusammensetzung des Trägers entsprechend dem Matrixmaterial, das genutzt werden wird, erreicht werden. Deshalb ist Polyamid eine bevorzugte Option für den Träger, wenn in einer Polyamidmatrix gearbeitet wird. Alternativ – wenn das Matrixmaterial nur auf eine Seite des Verstärkungsgewebes aufgebracht wird – kann der Träger nach dem Spritzgießen und Abkühlen 'abgepellt' werden.
'Stahldraht' selbst muss breitestmöglich ausgelegt werden. Er kann ein einzelnes Stahlfilament sein, oder der Draht kann aus mehreren Stahlfilamenten, genannt 'Stahllitze', bestehen. Möglicherweise können ihm andere Nichtstahlfasern hinzugefügt werden – was eine 'Hybrid-Stahllitze' genannt werden kann – aber in jedem Fall muss zumindest ein Stahlfilament enthalten sein. 'Ein Stahldraht' ist im Zusammenhang dieser Erfindung ein Stahldraht einer einzigen, ununterbrochenen Länge. Zwei oder mehr Stahldrähte sind daher einzelne Stahldrähte, die jeweils eine ununterbrochene Länge aufweisen, die nicht dieselbe sein muss. Wenn zwei oder mehr Stahldrähte vorhanden sind, impliziert der Wortlaut nicht, dass die Stahldrähte von demselben Fabrikat oder Typ sein müssen. Jeder der Stahldrähte kann von einem anderen Typ sein, je nach den benötigten Eigenschaften, wie nachstehend erläutert.
Die Stahllitze kann ein 'Bündel' von Filamenten sein. Mit einem Bündel ist gemeint, dass Filamente in einem Bund ohne beabsichtigte Verdrillung der Filamente um die Drahtachse zusammengehalten werden. Filamente können mittels eines Bindefilaments, das darum genäht ist, oder eines Umwicklungsdrahts (ein Umwicklungsdraht macht vollständige Drehungen um den Bund herum, ein genähter Draht macht eine Vor-und-zurück-Bewegung um den Draht) zusammengehalten werden. Alternativ können die Filamente durch eine Polymerbeschichtung oder einen Kleber zusammengehalten werden. Eine bevorzugte Alternative besteht darin, dass das Filamentbündel durch den Stich gehalten wird, der den Stahldraht an dem Träger hält.
Der Stahldraht kann auch die Form eines "Strangs" aufweisen. In dem Fall sind Filamente mit einer beabsichtigten Schlaglänge um die Mitte des Drahts herum verdrillt. Entweder bekommen alle Filamente denselben Schlag, wovon kompakte Litzen (wobei alle Filamentdurchmesser gleich sind), Warrington- oder Seale-Stränge (wobei Filamente in einem bestimmten Muster zusammenpassen) typische Beispiele sind. Alternativ können Stränge in Lagen gefertigt sein, wobei eine Lage Filamente mit einer Lagen-Schlaglänge um ein Mittelfilament oder einen Vorläuferstrang herum verdrillt ist, woraus eine geschichtete Litze resultiert (beispielsweise 3 + 9 + 15 Litzen, wobei ein Kernstrang aus 3 zusammen verdrillten Filamenten von einer Lage aus 9 Filamenten und schließlich mit einer Lage aus 15 Filamenten umgeben ist). Der Stahldraht kann ein Stahlseil sein. Ein Stahlseil ist eine Stahllitze, die Stahlstränge umfasst, die umeinander verdrillt sind. Beispielsweise besteht eine 7 × 7-Stahllitze aus einem Stahl-Kernstrang aus 7 Filamenten, um den herum 6 Stränge mit einer Seil-Schlaglänge verdrillt sind, wobei jeder 7 Filamente umfasst.
Der gesamte Stahldraht kann vor dem Nähen auf den nichtmetallischen Träger mit einer organischen Beschichtung beschichtet werden. Dies kann nützlich sein, um den Stahldraht zusätzlich von der Umgebung zu isolieren oder den Stahldraht vollständig in das Teil zu integrieren. Mögliche Beschichtungen sind Polyamid (PA), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Polyurethan (PU), Polysulfon (PES), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) und andere. Es werden jene Beschichtungen bevorzugt, die mit dem Matrixmaterial des Verbundteils zumindest kompatibel oder identisch sind. Der Beschichtungsprozess kann mittels Extrusion, elektrostatischer Beschichtung oder einer beliebigen anderen bekannten Technik ausgeführt werden. Vorzugsweise dringt die organische Beschichtung vollständig in den Stahldraht ein, um die Bildung von Kanälen in dem Stahldraht zu verhindern, wenn er aus drei oder mehr Filamenten besteht.
Im Allgemeinen enthalten Stahldrähte in dieser Erfindung weniger als hundert Stahlfilamente, und in den meisten Fällen sogar weniger als fünfzig und vorzugsweise gleich oder weniger als 12 Stahlfilamente. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass der Stahldraht aus einem einzelnen Stahlfilament besteht.
Das Grundmaterial des genutzten Drahts ist einfacher Kohlenstoffstahl. Eine typische Zusammensetzung aus einfachem Kohlenstoffstahl weist einen Mindestkohlenstoffgehalt von 0,65%, einen Mangangehalt im Bereich von 0,40% bis 0,70%, einen Siliziumgehalt im Bereich von 0,15% bis 0,30%, einen maximalen Schwefelgehalt von 0,03%, einen maximalen Phosphorgehalt von 0,30% auf, wobei alle Prozentangaben Gewichtsanteile sind. Es sind nur Spuren von Kupfer, Nickel und/oder Chrom vorhanden. Mit einem höheren Kohlenstoffgehalt kann eine höhere Zugfestigkeit erreicht werden. Die metallographische Struktur des Grundmaterials ist fein perlitisch ohne Spuren von Bainit oder Martensit.
Alternativ kann der genutzte Draht eine Zusammensetzung aus einfachem Kohlenstoff mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,40 bis 0,85 %, einem Siliziumgehalt zwischen 1,0 und 2,0 % und einem Mangangehalt zwischen 0,40 bis 1,00 %, wobei Chrom in einem Bereich von 0,0 bis 1,0 % vorhanden ist, mit einer Phosphor- und Schwefelgesamtkonzentration unter 0,025%, aufweisen. Der Rest ist Eisen sowie unvermeidbare Verunreinigungen mit der weiteren Einschränkung, dass die Konzentration von Legierungselementen wie beispielsweise Nickel, Vanadium, Aluminium oder anderen Mikrolegierungselementen jeweils unter einer Konzentration von 0,2 % bleibt. Wieder sind alle Prozentangaben als Gewichtsanteile zu verstehen. Die metallographische Struktur des Grundmaterials weist einen Restaustenit-Volumenanteil zwischen 4 und 20 % auf, während der Rest getemperter Primärmartensit und ungetemperter Sekundärmartensit ist. Ein derartiger Startdraht, der durch Abschrecken und anschließendes Umverteilen (Q&P) erhalten wird, weist eine hohe anfängliche Zugfestigkeit auf, die durch Kaltverfestigung (siehe WO 2013/041541 ) schnell ansteigt.
Es können auch Edelstahldrähte genutzt werden. Edelstähle enthalten mindestens 12% Cr und eine erhebliche Menge Nickel. Stärker bevorzugte Edelstahlzusammensetzungen sind austenitische Edelstähle, da sich diese leicht zu dünnen Durchmessern ziehen lassen. Die stärker bevorzugten Zusammensetzungen sind in der Technik als AISI 302 (insbesondere die 'Stauchqualität'), AISI 301, AISI 304 und AISI 314 bekannt. 'AISI' ist die Abkürzung für 'American Iron and Steel Institute'.
Durch Kaltverfestigung – z. B. durch Drahtziehen und/oder Kaltwalzen – wird die Zugfestigkeit des Stahlfilaments weiter auf über 2000 N/mm², vorzugsweise mehr als 2300 N/mm², oder besser noch sogar größer als 2700 N/mm², oder sogar über 3000 N/mm² erhöht. Derzeit sind Stahlfilamente mit Zugfestigkeiten über 3300 N/mm² bei Reifencord üblich, während das Maximum jetzt bei 4000 N/mm² liegt. Je dünner die Filamente sind, desto größer kann ihre Zugfestigkeit sein. Die Filamente werden einzeln gezogen. Der Fall sogenannter 'bündelgezogener' Filamente wird hiermit ausdrücklich ausgeschlossen. 'Bündelgezonene' Filamente sind Filamente, die in einer Gruppe durch ein einzelnes Werkzeug gezogen und danach getrennt werden.
Die Zugfestigkeit der Stahlfilamente des Stahldrahts ist der grundlegende Parameter, der die Stärke des Verstärkungsgewebes bestimmt. Bei Nutzung einer Zugfestigkeit unter 2000 N/mm² wird mehr Stahl und daher mehr Gewicht benötigt, um dieselbe Gesamtfestigkeit des Verbundteils zu erlangen. Verbundteile werden genutzt, um Gewicht zu reduzieren, nicht um es zu erhöhen. Durch Nutzung von Drähten mit höherer Zugfestigkeit kann Gewicht reduziert werden.
Der Drahtquerschnitt des einen oder der mehreren Filamente in dem Stahldraht weist eine Fläche zwischen 0,008 mm² und 1,14 mm² auf. Der Querschnitt kann rund sein oder auch nicht. Nichtrunde Querschnitte sind beispielsweise längliche Formen, Hundeknochen- oder sogar H-Profilabschnitte. Die Nutzung nichtrunder Profile kann in Fällen vorteilhaft sein, in denen die Steifigkeit des Drahts in einer Richtung höher sein muss als in einer anderen Richtung. Der Äquivalentdurchmesser der Stahlfilamente – d. h. des Drahts mit einem runden Querschnitt, der eine Querschnittsfläche gleich der des Drahts mit dem nichtrunden Querschnitt aufweist – liegt somit zwischen 0,101 mm und 1,20 mm. Stärker bevorzugt liegt der Äquivalentdurchmesser (Nummer in Klammern ist Querschnittsfläche) zwischen 0,120 mm (0,011 mm²) und 0,30 mm (0,070 mm²), und noch stärker bevorzugt liegt er zwischen 0,150 (0,018 mm²) und 0,25 mm (0,049 mm²).
Möglicherweise sind die einzelnen Stahlfilamente mit einer Funktionsbeschichtung beschichtet, die beispielsweise Korrosion verhindert (mittels einer Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung), die Haftung an der Polymermatrix verbessert (beispielsweise durch Aufbringen einer organischen Beschichtung, wie beispielsweise eines organo-funktionalisierten Silans, eines organo-funktionalisierten Titanats und eines organo-funktionalisierten Zirkonats) oder beides kombiniert.
Der Stahldraht wird durch Stiche eines Fadens an dem nichtmetallischen Träger gehalten. Die Funktion des genähten Fadens besteht darin, den Stahldraht einseitig an dem nichtmetallischen Träger zu halten. Viele Maschinenstiche können angewandt werden, aber Einzel- oder Doppelfadenstiche erfüllen im Allgemeinen den Zweck, wenngleich auch Drei- oder Vierfadenstiche möglich sind. Bevorzugte Stiche sind der Zickzack-Steppstich oder der Zickzack-Kettenstich (Doppelfaden, Norm ISO 4915, Nummern 304 bzw. 404). Andere mögliche Stiche sind der Nadel-Überdeckstich (ISO 4915, Nummer 406, 3 Fäden), oder ein Nadelkettenstich mit Legefaden (ISO 4915, Nummer 408, 5 Fäden).
Fäden werden je nach ihrer Haltekraft und Polymermatrix ausgewählt. Im Allgemeinen müssen sie stark, flexibel, dünn und glatt sein. Beispiele sind Polyamid, Polyester, Polypropylen, Polytetrafluorethylen oder Elastan, wenngleich andere natürliche Fasern wie Seide, Baumwolle und andere ebenso möglich sind.
Der Stahldraht wird in einer 'gekrümmten Trajektorie' gelegt. Eine 'gekrümmte Trajektorie' kann als beliebige Trajektorie oder Pfad definiert werden, der zumindest einen Abschnitt mit einer Krümmung 'k' (ausgedrückt in mm^–1) ungleich null enthält. Eine Gerade hat eine Krümmung von null. Die Krümmung an einem Punkt entlang der Kurve ist die Umkehrung des 'Krümmungsradius' an jenem Punkt. Der 'Krümmungsradius' ist der Radius eines Kreises, der den Pfad des Drahts an jenem Punkt auf dem Pfad oskuliert. 'Oskuliert' bedeutet, dass Ableitungen der nullten, ersten und zweiten Ordnung von Kreis und Pfad an jenem Punkt gleich sind. Die gekrümmte Trajektorie entspricht im Wesentlichen den Kräften, die in dem Verbundteil wirken oder voraussichtlich wirken, um die Polymermatrix maximal zu verstärken.
Bekannte Tailored-Fibre-Placement-Verfahren arbeiten mit Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff, Aramid oder Glasfaserrovings, die viele Tausende einzelner Filamente enthalten. Die einzelnen Filamente sind sehr fein (von 5 µm bis 10 µm für Kohlenstoffrovings, 5 µm bis 25 µm für Glasrovings) was die Handhabung der Rovings oder Litzen sehr einfach gestaltet, da sie sich ohne jeglichen Widerstand biegen lassen.
Stahlfilamente als Gegenstand dieser Erfindung sind in dieser Hinsicht viel schwieriger zu handhaben. Wenn vom 'Biegen' eines Stahldrahts die Rede ist, der ein oder mehrere Stahlfilamente umfasst, ist zwischen zwei verschiedenen Begriffen zu unterscheiden:
Es gibt die 'Steifigkeit' oder 'Biegefestigkeit' des Filaments, die als Maß für den Biegewiderstand dient. Die Steifigkeit (in Nmm²) für einen runden Draht ist Eπd⁴/64, wobei 'E' der Elastizitätsmodul des Materials (in N/mm²) und 'd' der Durchmesser des Filaments (in mm) ist.
In einem Roving erhöht sich die Steifigkeit linear zu der Anzahl der Fasern, da die einzelnen Fasern übereinander gleiten. Für derzeit bekannte Verstärkungsrovings kann diese Steifigkeit aufgrund der extremen Dünne der Filamente vernachlässigt werden. Dadurch können die Rovings einfach durch ein Rovingröhrchen genau vor den Nähkopf der Stickmaschine gelegt werden, wie es beim Tailored-Fibre-Placement bekannt ist.
Dies gilt nicht für Stahldrähte der Erfindung, die dicke Filamente umfassen, deren Steifigkeit mit der vierten Potenz des Durchmessers zunimmt. Es muss mehr Moment auf den Draht ausgeübt werden, um ihn in eine bestimmte Krümmung zu biegen, da das Biegemoment gleich dem Produkt von Steifigkeit und Krümmung ist. Das höhere Biegemoment der Filamente verhindert das einfache Legen der Verstärkung, und besondere Maßnahmen müssen in dem Prozess ergriffen werden, um diese Biegesteifigkeit zu überwinden.
Neben der Steifigkeit eines Stahlfilaments gibt es den Begriff der 'Biegbarkeit'. Dies bezieht sich auf die plastische Verformbarkeit des Stahldrahts. Wenn eine Krümmung ungleich null auf ein Stahlfilament angewandt wird, wird es nach Entfernen des Biegemoments zurückfedern. Wenn die angewandte Krümmung 'k_a' groß genug ist (d. h. für ausreichend kleine Biegeradien), bleibt nach dem Entfernen des Biegemoments etwas Krümmung bestehen: Dies ist die Restkrümmung 'k_r' aufgrund der plastischen Verformung des Drahtmaterials. Der Unterschied zwischen den beiden: 'k_a–k_r' angewandt minus Restkrümmung wird 'Rückfederung' genannt. Laut der Theorie des elastisch-plastischen Biegens von Balken ist diese Rückfederung abhängig von Querschnittsform und -fläche des Drahts, der Streckspannung und dem Modul des Materials nach
wobei 'η' ein maßeinheitenloser Formfaktor (gleich ungefähr 1,7 für einen runden Querschnitt und 1,5 für einen rechteckigen Querschnitt), 'E' das Dehnungsmodul von Stahl, 'R' die Hälfte des Drahtdurchmessers und ’σ_p' die 'Streckspannung' des Materials ist. Der Bezug auf die Theorie des elastisch-plastischen Biegens dient nur der Verdeutlichung, welche Parameter wichtig sind, und sollte keineswegs zum Umgehen der Erfindung herangezogen werden.
Die Streckspannung ist die Spannung (in N/mm²), bei der eine dauerhafte Dehnung des Drahts in einer Zugprüfung erfolgt. Herkömmlicherweise ist die dauerhafte Dehnung zum Bestimmen der Streckspannung auf 0,2% festgelegt und wird als Rp0.2-Punkt einer Spannungskurve bezeichnet. Deshalb wird es umso schwieriger, dem Draht eine Restkrümmung oder dauerhafte Biegung zu verleihen, je höher die Streckspannung und je kleiner der Durchmesser des Drahts ist.
Die Streckspannung eines Stahlfilaments hängt von der Verarbeitung (Kaltverfestigung oder Wärmebehandlung) und der Materialzusammensetzung des Stahlfilaments ab (hoher Kohlenstoffgehalt vs. geringer Kohlenstoffgehalt) und ist für die in dieser Anwendung vorgesehenen Materialtypen (hoher Kohlenstoffgehalt, hoher Grad der Bearbeitung) größer als mindestens 65 % der Zugfestigkeit des Stahlfilaments, oder über 75% oder sogar über 85% der Zugfestigkeit des Drahts. Sehr weit gezogene, daher feine Drähte haben ein Streckspannung-zu-Zugfestigkeits-Verhältnis über 95% und sind sehr schwer dauerhaft zu biegen, da sie eine hohe Streckspannung in Kombination mit einem kleinen Durchmesser aufweisen. Repräsentative Werte für Streckspannungen sind daher zumindest 1300, 1500, 1750, 1900, 2050, 2300, 2450, 2600, 3000, 3400 und 3800 N/mm², wobei die Streckspannung in jedem Fall geringer als die Zugfestigkeit des Stahlfilaments ist.
Die erhöhte Steifigkeit und schwierige Biegbarkeit des Stahldrahts führt zu erhöhter Spannung in dem Verstärkungsgewebe. Jedoch waren die Erfinder in der Lage, durch die richtige Auswahl von Durchmesser, Filamentanzahl (die die Steifigkeit und Biegbarkeit beeinflusst) und Streckspannung (die die Biegbarkeit beeinflusst) verarbeitbare Verstärkungsgewebe mit Stahldraht zu erhalten.
Um die Stahldrähte in dem Gewebe ausrichten zu können, sind Biegungen mit kleinen Krümmungsradien erforderlich. In dem erfindungsgemäßen Gewebe waren gekrümmte Trajektorien lokal ein Krümmungsradius, der kleiner als das 70-Fache des Äquivalentdurchmessers 'd_max' (in mm) des Filaments in dem Draht mit der größten Querschnittsfläche ist. Selbst Krümmungsradien kleiner als das 50-Fache oder sogar kleiner als das 35-Fache des maximalen Äquivalentdurchmessers erwiesen sich als möglich.
Um den steifen Stahldraht an dem Träger zu halten, kann an Stellen, wo der Krümmungsradius gering ist (wo die Krümmung groß ist) die Stichanzahl erhöht und an Stellen, wo der Krümmungsradius groß ist (d. h. die Krümmung gering ist) die Stichanzahl verringert werden.
Alternativ oder zusätzlich sind die Stahldrähte in dem Verstärkungsgewebe plastisch gebogen. 'Plastisch gebogen' bedeutet, dass der Stahldraht in einem verformten Zustand bleibt, wenn Stiche entfernt werden und der Stahldraht gelöst wird. Wie oben erwähnt, kann einem Stahldraht durch Anwenden einer ausreichend großen Krümmung eine dauerhafte oder Restkrümmung verliehen werden. Plastisches Biegen kann in Fällen erforderlich sein, in denen das Biegemoment in dem Stahldraht zu einem Gewebe führt, das nicht in einer Ebene verbleibt. Es gilt zu beachten, dass Rovings aus Kohlefasern oder Glasfasern nie plastisch gebogen sind, wenn sie aus einem derartigen Verstärkungsgewebe entfernt werden.
Für die Erfindung wird bevorzugt, dass das Verstärkungsgewebe 'offen' bleibt, dies ist jedoch nicht wesentlich. 'Offen' bedeutet, dass das Polymer beim Spritzgießen durch das Verstärkungsgewebe hindurchgelangen kann. Dies bedeutet, dass der nichtmetallische Träger offen sein muss und dass die Stahldrähte ausreichend weit voneinander entfernt sein müssen, um das Polymer durchfließen zu lassen.
Indem der Stahldraht entsprechend einer vordefinierten gekrümmten Trajektorie gelegt wird, können eine oder mehrere bestimmte Bereiche auf dem Träger umschrieben werden. So wird das Vorhandensein von Stahldraht in bestimmten Bereichen vermieden. Dieses erfindungsgemäße Verstärkungsgewebe ermöglicht somit beispielsweise das Stanzen von Löchern oder Ausschnitten im Verbundteil in bestimmten Bereichen, ohne dass der Stahldraht beschädigt wird. Die Integrität des Verbundteils wird dadurch erheblich verbessert und das Schneiden des Stahldrahts vermieden. Im Allgemeinen führt das Stanzen bekannter Gewebe, die parallel gelegte Stahldrähte umfassen, zu einem Integritätsverlust des Gewebes, da jedes Loch viele abgeschnittene Stahllitzenenden zur Folge hat. Auch führt das Stanzen des Stahldrahts zu übermäßigem Verschleiß des Stanzwerkzeugs. Die Erfindung bietet somit – zusätzlich – eine gute Lösung für dieses Problem.
In vielen Fällen wird Verstärkung in mehr als einer Richtung des strukturellen Verstärkungsteils benötigt. Es kann deshalb erforderlich sein, dass zuerst ein Stahldraht in einer Trajektorie primär in einer ersten Richtung und anschließend ein weiterer Stahldraht in einer zweiten Richtung gelegt wird, die schräg zu der ersten Richtung verläuft. Auf diese Weise kreuzen sich die Stahldrähte an Punkten der Trajektorie, die 'Kreuzungspunkte' genannt werden. An einem Kreuzungspunkt ist das Gewebe etwas dicker, da die Stahldrähte übereinander gelegt sind. Ein Stahldraht kann sich möglicherweise selbst überkreuzen, was eine 'Selbstüberkreuzung' genannt wird. Auch ist es möglich, dass sich zwei Drähte an derselben Stelle kreuzen, aber eine derartige Situation sollte vermieden werden, da dies zu Instabilität führt. Wenn sich beispielsweise drei Stahldrähte an demselben Punkt kreuzen, kann sich der mittlere Draht beim Spritzgießen verschieben.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verbundteil wie beispielsweise ein schlagfestes und/oder strukturelles Verbundteil, das das oben beschriebene Verstärkungsgewebe umfasst, das in eine Polymermatrix eingebettet ist. Der Unterschied zu Verbundteilen des Standes der Technik besteht darin, dass die Anzahl Stahldrähte in dem Verstärkungsgewebe kleiner gleich zehn ist. Da die Drähte entsprechend einer bestimmten Trajektorie gelegt werden können, wird die obligatorische parallele Anordnung vieler Stahldrähte (mehr als zehn) wie in Stahllitzengeweben des Standes der Technik vermieden. Daraus folgt, dass die Stahllitzen auch an den Biegungen formschlüssig in der Polymermatrix verankert sind. Dies ist bei Geweben des Standes der Technik nicht der Fall, wo die vielen Enden der Stahllitze nicht in der Polymermatrix verankert sind.
Die Polymere, die in dem Verbundteil genutzt werden können, sind bekannt und sind ein Thermoplast oder thermoplastisches Elastomer-Polymermaterial. Besser noch wird das Polymer aus der Gruppe, die aus Polyester, Polyurethan, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polycarbonat, Polyphenylenoxid sowie Mischungen dieser Materialien, oder thermoplastischen Elastomeren, z. B. Polyamid- oder Polyolefinbasierten thermoplastischen Elastomeren wie beispielsweise Polyesteramiden, Polyetheresteramiden, Polycarbonatesteramiden oder Polyether-Block-Amiden, besteht, ausgewählt.
Besonders interessante thermoplastische Polymere sind in-situ-polymerisierbare thermoplastische Materialien. Diese Materialien lassen sich in einem Vorpolymerstadium (in Form einer Flüssigkeit oder eines Pulvers oder als Pellets) handhaben und reagieren in der Form nach Initiierung mit Energieeintrag (Wärme oder elektromagnetische Strahlung) zu dem endgültigen Polymer. Typische Beispiele sind Caprolactam (reagiert zu Polyamid 6) oder Laurocaprolactam (reagiert zu Polyamid 12), Mischungen von beiden, oder beliebige der Vorpolymere der in dem vorigen Absatz genannten Polymere.
Alternativ können die Polymere wärmehärtende Polymere sein, wie beispielsweise Polyesterharz, Epoxid, Vinylester. Die Polymere können möglicherweise in einem Sheet-Moulding-Composite bereitgestellt sein, d. h. das Verstärkungsgewebe ist mit dem Polymer oder den Vorpolymeren des Polymers vorimprägniert, bevor es in die Form eingesetzt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verbundteils umfasst auch Öffnungen, die von zumindest einer Stahldraht-Trajektorie umschrieben werden. An einer derartigen Öffnung kann das Verbundteil von einem Befestigungsmittel, wie beispielsweise einem Bolzen, einer Stange oder einem Sicherheitsgurt stark gehalten werden, da der Stahldraht eine Schlaufe um das Befestigungsmittel herum bildet.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung werden Verfahren geboten, die beschreiben, wie das Verstärkungsgewebe hergestellt werden kann. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird mit einem nichtmetallischen Träger angefangen, wie zuvor in den Absätzen [0013] bis [0014] beschrieben. Ferner wird ein Stahldraht bereitgestellt, der ein oder mehrere Stahlfilamente umfasst, wie in den Absätzen [0015] bis [0026] beschrieben. Die Stahlfilamente weisen einen Querschnitt mit einer Querschnittsfläche zwischen 0,008 mm² und 1,14 mm² und eine Streckspannung von zumindest 1300 N/mm² auf. Anschließend wird der Stahldraht entsprechend einer gekrümmten Trajektorie auf den Träger genäht. Das Besondere an dem Verfahren ist, dass der Draht vor dem Nähen an den nichtmetallischen Träger plastisch gebogen wird. Dies kann auf mehrere Wege erreicht werden.
Ein erster Weg besteht darin, dass eine Biegung mit der geeigneten angewandten Krümmung – geeignet insofern, als die bleibende Restkrümmung dem vorgesehenen gekrümmten Pfad nahe ist – durch Biegen des Stahldrahts über einem Werkzeug angewandt wird. Das Werkzeug kann ein Stift, eine Zange oder ein Biegespanner sein. Das Werkzeug kann 0,5 + 15 × d_max × k(s) ≤ S_m ≤ 2 + 140 × d_max × k(s) sein, wobei 'd_max' (in mm) der größte Äquivalentdurchmesser der Stahlfilamente in dem Stahldraht ist. Nach der Erfahrung der Erfinder ist diese Stichanzahl ausreichend zum Halten der Stahldrähte entsprechend dieser Erfindung an Ort und Stelle.
Das Nähen des Stahldrahts an den nichtmetallischen Träger erfolgt durch eine Stickmaschine, die mit einem Verstärkungszuführmittel angepasst ist. Die Stickmaschine kann entweder eine Stickmaschine mit beweglichem Kopf oder eine Stickmaschine mit beweglichem Tisch oder eine Kombination von beiden sein. Alternativ kann der Nähkopf in einem Roboterarm implementiert sein.
Kurzbeschreibung der Figuren in den Zeichnungen
1a zeigt eine erste Anwendung der Erfindung in einem Autokindersitz.
1b zeigt das Verstärkungsgewebe des Standes der Technik.
1c zeigt das erfindungsgemäße Verstärkungsgewebe.
2a und 2b zeigen die Anwendung des erfindungsgemäßen Verstärkungsgewebes in einer anderen Anwendung: einem Federteller.
3a zeigt die Nutzung des Verstärkungsgewebes in einer B-Säule wie sie in einem Auto genutzt wird.
3b zeigt das Stichmuster zum Erhalten des Verstärkungsgewebes zur Nutzung in der B-Säule.
4a zeigt eine Anordnung des Verstärkungsgewebes zur Nutzung in dem Verstärkungsträger in einer Autotür.
4b zeigt ein Verfahren zum Herbeiführen der nötigen Biegungen in dem Stahldraht.
4c zeigt den verformten Stahldraht, bevor er an den Träger genäht wird.
Nummern, die auf '20' enden, beziehen sich auf das erfindungsgemäße Verstärkungsgewebe, Nummern, die auf '24' enden, beziehen sich auf den nichtmetallischen Träger, Nummern, die auf '26' enden, beziehen sich auf die Stiche,
die den Stahldraht halten, auf den mit Nummern, die auf '28' enden, Bezug genommen wird.
Modus/Modi zum Ausführen der Erfindung

Tabelle I ist eine Tabelle von Materialien, die in Rovings für Tailored-Fabric-Placement genutzt werden, im Vergleich zu Stahldraht:

Material	E-Modul (N/mm²)	Durchmesser Bereich (µm)	Anzahl der Filamente	Steifigkeit (Nmm²)
Kohlefaser	525.000	5 bis 10	1000	0,016 bis 0,258
E-Glasfaser	80.000	5 bis 25	1000	0,002 bis 1,534
S-Glasfaser	89.000	5 bis 25	1000	0,003 bis 1,716
Stahldraht	200.000	100 bis 870	49	48,1 bis 275596

Tabelle 1

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass Rovings aus Kohlefaser, E- oder S-Glasfaser viel einfacher zu verarbeiten und zu biegen sind als Stahldraht, obwohl dieser Stahldraht viel weniger Filamente enthält. Der Einfluss des Faserdurchmessers ist in dieser Hinsicht aufgrund der Abhängigkeit der Steifigkeit von der vierten Potenz des Durchmessers überwältigend. Modul und Anzahl der Filamente spielen hier eine untergeordnete Rolle. Die Tabelle veranschaulicht, dass die Faseranordnung bei Stahllitze völlig anders ist als die Faseranordnung bei bekannten Rovings.
1a zeigt eine erste Umsetzung der Erfindung. Sie zeigt einen Autokindersitz 100, der durch Spritzgießen hergestellt ist, wobei der untere Teil mit einem Gewebe 110/120 verstärkt ist, wodurch ein Verbundteil gebildet wird.
In einem Verstärkungsgewebe 110 des Standes der Technik, das in 1b gezeigt ist, ist ein Gewebe durch Weben von Textilfäden 116 als Kettfäden mit parallelen Stahllitzen 114 als Schuss hergestellt. Das Gewebe ist in einer rechteckigen Form hergestellt, und die endgültige Form des Verstärkungsgewebes 110 wird später durch Stanzen und Prägen oder Laserschneiden ausgeschnitten. Auf diese Weise sind auch Löcher 112, 112' und 112" in das Gewebe eingebracht, wo später Vorrichtungen eingeführt werden können (um den Sitz an dem Auto zu halten). Der Schneideprozess führt zu vielen Stahllitzenenden und einem erheblichen Materialverlust. Auch beeinträchtigt das Vorhandensein der Löcher die Integrität des Gewebes, da Stahllitzen dazu neigen, sich zu lockern.
1c zeigt das erfindungsgemäße Verstärkungsgewebe 120, das einen nichtmetallischen Träger 124 und einen einzelnen Stahldraht 128 umfasst. Der einzelne Stahldraht ist in einem gekrümmten Pfad gelegt, wodurch die Bereiche, in denen Löcher vorgesehen sind 130, 130', 130", vermieden werden. Der Stahldraht ist durch Stiche 126 an den Träger genäht, die an den Stellen, wo die Krümmung groß ist, dichter und in den Abschnitten, wo der Stahldraht im Wesentlichen gerade ist, weniger dicht sind (die oskulierenden Kreise bei minimalem Krümmungsradius sind in gestrichelten Linien 127 an den Biegungen gezeichnet).
Die Einzelheiten zu dieser ersten Ausführungsform waren:

• Nichtmetallischer Träger: offener Gitterstoff aus Polypropylen.
• Stahldraht: 3 × 0,265 + 9 × 0,245 Stahllitze bestehend aus 12 Filamenten, die mit einer Schlaglänge von 14 mm umeinander herum verdrillt sind. Die Filamente werden vor dem Ziehen einzelner Filamente feuerverzinkt und weisen Filamente mit einer Zugfestigkeit von 2700 N/mm² und einer Streckspannung von 2045 N/mm² auf.
• Der verwendete Nähfaden ist ein Polypropylenfaden, und der Stich ist ein Einzelfaden-Interlock. Die Stichanzahl variierte zwischen 2 Stichen pro cm in den Teilen mit null Krümmung (gerade Abschnitte) bis 4 Stiche pro cm in den 90°-Biegungen mit Krümmung 1/6 mm^–1 und bis 10 Stiche pro cm in den 180°-Biegungen mit Krümmung 1/3 mm^–1.

Eine zweite Anwendung des Verstärkungsgewebes ist in 2a gezeigt, wo das Gewebe 210/220 in einen Federteller eines Autos 200 integriert ist. Das Gewebe 210 des Standes der Technik, das aus gewirkter Stahllitze besteht, die durch einen Schussfaden gehalten wird, führt zu großem Materialverlust und verringerter Gewebeintegrität nach dem Schneiden. 2b zeigt das erfindungsgemäße Verstärkungsgewebe vor dem Spritzgießen. Das Gewebe umfasst einen nichtmetallischen Träger 224, an den Stahldraht 228 unter Verwendung von Nähfaden 226 genäht ist. Der verfolgte Pfad ist gekrümmt und umschreibt die mittlere Öffnung 230 in spiralförmiger Weise. Der nichtmetallische Träger war ein offener Polyamid-Gitterstoff, der verwendete Faden war ebenso aus PA, wobei beide mit der Matrix des Federtellers kompatibel waren. Der Stich war ein Doppelfaden-Zickzack-Steppstich. Der Stahldraht war ein einzelnes Filament des Durchmessers 0,95 mm des abgeschreckten und umverteilten Typs, der eine Zugfestigkeit von 2300 N/mm² und eine Streckspannung von 1518 N/mm² aufwies. Ein derartiger Draht eignet sich aufgrund seiner Kombination aus großem Durchmesser und niedriger Streckgrenze besonders zur Herstellung in einer Vorform vor dem Nähen. Die Stichanzahl war ungefähr 2 pro cm. Durch Einführen des Verstärkungsgewebes während des Formens mit Polyamid konnte ein verbesserter Federteller hergestellt werden. Die Erfinder behaupten, dass der verstärkte Federteller dem Schlag einer gebrochenen Aufhängungsfeder widerstehen konnte.
Es gilt zu beachten, dass der Stahldraht eine Form annimmt, die der Spiralform in dem Verstärkungsgewebe sehr nahe kommt, wenn der Stahldraht durch Auftrennen der Stiche von dem Träger entfernt wird. Dies zeigt, dass der Stahldraht plastisch gebogen wurde und ist bezeichnend für das erfindungsgemäße Verstärkungsgewebe.
In einer dritten Ausführungsform wurde das erfindungsgemäße Verstärkungsgewebe in einem Spritzgussteil zum Verstärken der B-Säule eines Autos verwendet, wodurch ein Verbundteil, wie in 3a und 3b gezeigt, gebildet wurde. Das Teil 300 weist eine komplexe Form auf. Der Stahldraht 328 muss einem komplexen Pfad folgen, um das Teil gut zu verstärken. Daneben ist ein zweiter Stahldraht 328' über Kreuz gelegt und auf den ersten genäht.
Wenn freigelegt, wird die resultierende gekrümmte Trajektorie in 3b gezeigt. Der verwendete Träger war ein Organosheet (PA6-Polymerplatte verstärkt mit gewebter Glasfaser), der Stich ein Doppelfaden-Zickzack-Steppstich, ausgeführt mit Faden 326 aus PA6. Beide Stahldrähte 328 und 328' waren eine Stahllitze des Typs 0,37 + 6 × 0,33, messingbeschichtet, wobei die Litze anschließend mittels Extrusion mit PA beschichtet wurde. Das Detail zeigt, dass in der Umgebung der Wendungen die Stichanzahl von 1,5 pro cm in den geraden Abschnitten auf 10 pro cm in den Abschnitten mit einem Krümmungsradius von 3 mm erhöht wird. Daher beträgt der Krümmungsradius ungefähr das 8-Fache des Durchmessers des größten Filaments im Stahldraht.
4a, 4b und 4c veranschaulichen ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Verstärkungsgewebes. Die Anordnung des Verstärkungsgewebes 402 ist in 4a gezeigt, und es ist für die Verwendung in einem Seitenaufprallträger einer Autotür (einem Verbundteil) gedacht. Die Trajektorie des Stahldrahts 428 ist derart, dass sie die Bereiche 410, 410', 410", 410''' umschreibt, wo Löcher in das Polymer gestanzt werden, um den Seitenaufprallträger an der Tür anzubringen. Der einzelne Stahldraht 428 schlängelt sich von einem Ende des Trägers zu dem anderen Ende. Der Stahldraht wird unter Verwendung von Nähfaden 426 an den Träger 424 genäht.
Bevor der Stahldraht 428 auf den nichtmetallischen Träger 404 genäht wird, wird er über ein Stiftbrett vorgeformt, wie in 4b gezeigt. Das Stiftbrett 420 weist Stifte mit unterschiedlichen Radien 422 (422', 422", 422''', ...) und 423 (423', ...) auf. Die Stifte sind so angeordnet, dass der Abstand zwischen den Stiften in etwa dem Abstand zwischen Biegungen in dem Anordnungsschema entspricht. Die Radien der Stifte – die der Umkehrung der angewandten Krümmung 'k_a' entsprechen – werden so ausgewählt, dass der resultierende Krümmungsradius mehr oder weniger dem Krümmungsradius in dem Anordnungsschema entspricht. Das eine Stahldrahtende ist an dem Stiftbrett befestigt, während das andere Ende mit einer Kraft 'F' zumindest ausreichend gezogen wird, damit der Stahldraht den Radien der Stifte folgt.
Wenn der Draht 428 nun von dem Brett entfernt wird, gibt er die beabsichtigte Trajektorie des Stahldrahts in dem Verstärkungsgewebe wieder, wie in 4c gezeigt. Der vorgeformte Stahldraht kann nun auf eine Spule 430 gewickelt und anschließend einer Stickmaschine zugeführt werden. Wenn die Stickmaschine der Trajektorie des Anordnungsplans folgt, kann der vorgeformte Stahldraht an den Biegungen gelegt werden, ohne dass ein übermäßiges Biegemoment erzeugt werden muss.
Durch Anwendung dieser erfindungsgemäßen Prinzipien gelang es den Erfindern, die Tailored-Fibre-Placement-Technik auch für Stahldrähte anzupassen. Wie erwähnt bereitet die Nutzung von Stahldrähten dann besondere Probleme, die durch Anwendung dieser Erfindung überwunden werden.

Claims

Verstärkungsgewebe zum Verstärken eines schlagfesten und/oder strukturellen Verbundteils, umfassend einen nichtmetallischen Träger und zumindest einen Stahldraht, der mit Stichen an dem Träger gehalten wird, wobei der Stahldraht ein oder mehrere Stahlfilamente umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Stahlfilamente eine Zugfestigkeit größer als 2000 N/mm² aufweisen und der zumindest eine Stahldraht durch Stiche in einer gekrümmten Trajektorie an dem Träger gehalten wird.
Verstärkungsgewebe nach Anspruch 1, wobei die Anzahl Stahlfilamente in dem Stahldraht weniger als hundert beträgt.
Verstärkungsgewebe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Querschnitt eines beliebigen der Filamente eine konvexe Form mit einer Querschnittsfläche größer als 0,008 mm² und kleiner als 1,14 mm² aufweist.
Verstärkungsgewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stahlfilamente eine Streckspannung von zumindest 65% der Zugfestigkeit der Stahlfilamente aufweisen.
Verstärkungsgewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gekrümmte Trajektorie lokal einen Krümmungsradius aufweist, der geringer als das 70-Fache des Äquivalentdurchmessers des Filaments mit der größten Querschnittsfläche in dem Stahldraht ist.
Verstärkungsgewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in der Trajektorie an Stellen mit kleinen Krümmungsradien mehr Stiche pro Einheitenlänge vorhanden sind als in der Trajektorie an Stellen mit großen Krümmungsradien.
Verstärkungsgewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Stahldraht plastisch gebogen ist.
Verstärkungsgewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stahllitzen-Trajektorie offen bleibt, so dass Polymer durch das Verstärkungsgewebe hindurchgelangen kann.
Verstärkungsgewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Trajektorie bestimmte Bereiche auf dem Träger umschreibt.
Verstärkungsgewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Trajektorie des zumindest einen Drahts Kreuzungspunkte umfasst, wobei die Kreuzungspunkte Selbstüberkreuzungen desselben einen Stahldrahts oder Kreuzungspunkte sind zweier verschiedener Stahldrähte.
Verbundteil, das das Verstärkungsgewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in eine Polymermatrix eingebettet umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl Stahldrähte in dem Verstärkungsgewebe kleiner gleich zehn ist.
Verbundteil nach Anspruch 11, wobei das strukturelle Verbundteil Öffnungen umfasst, wobei die Öffnungen von der zumindest einen Stahldraht-Trajektorie umschrieben sind.
Verfahren zum Herstellen eines Verstärkungsgewebes zum Verstärken eines Verbundteils, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines nichtmetallischen Trägers; – Bereitstellen eines Stahldrahts, wobei der Stahldraht ein oder mehrere Stahlfilamente umfasst, wobei die Stahlfilamente einen konvexen Querschnitt mit einer Querschnittsfläche zwischen 0,008 mm² und 1,14 mm² und eine Streckspannung von zumindest 1300 N/mm² aufweisen; – Nähen des Stahldrahts auf den Träger entsprechend einer gekrümmten Trajektorie; dadurch gekennzeichnet, dass der Stahldraht vor dem Nähen an den nichtmetallischen Träger plastisch gebogen wird.
Verfahrensanspruch nach Anspruch 13, wobei das Biegen durch Biegen des Stahldrahts während des Zuführens zum Nähen ausgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Verstärkungsgewebes zum Verstärken eines Verbundteils, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines nichtmetallischen Trägers; – Bereitstellen eines Stahldrahts, wobei der Stahldraht ein oder mehrere Stahlfilamente umfasst, wobei die Stahlfilamente einen konvexen Querschnitt mit einer Querschnittsfläche zwischen 0,008 mm² und 1,14 mm² und eine Streckspannung von zumindest 1300 N/mm² aufweisen; – Nähen des Stahldrahts auf den Träger entsprechend einer gekrümmten Trajektorie; dadurch gekennzeichnet, dass die Stichanzahl pro Einheitenlänge entlang der gekrümmten Trajektorie an Stellen mit einem großen Krümmungsradius verringert und an Stellen mit einem kleinen Krümmungsradius erhöht ist.
Federteller für ein Auto, umfassend eine gewirkte Stahllitze, die durch einen Faden als Schuss gehalten wird.
Federteller für ein Auto, umfassend eine in eine Polymermatrix eingebettete Verstärkung, wobei die Verstärkung einen nichtmetallischen Träger und zumindest einen Stahldraht umfasst.
Federteller für ein Auto nach Anspruch 17, wobei der zumindest eine Stahldraht durch Stiche in einer gekrümmten Trajektorie an dem Träger gehalten wird.
Federteller für ein Auto nach Anspruch 17, wobei der Federteller eine mittlere Öffnung aufweist, wobei der Pfad des zumindest einen Stahldrahts die mittlere Öffnung umschreibt.
Federteller für ein Auto nach Anspruch 18, wobei die gekrümmte Trajektorie spiralförmig ist.
Federteller für ein Auto nach Anspruch 17, ferner umfassend einen Faden, wobei der nichtmetallische Träger ein offener Polyamid-Gitterstoff ist, und wobei der Faden aus einem Polyamid hergestellt ist, wobei sowohl das Polyamid als auch der offene Polyamid-Gitterstoff mit der Polymermatrix des Federtellers kompatibel sind.
Federteller für ein Auto nach Anspruch 18, wobei die Stiche Doppelfaden-Zickzackstiche sind.
Federteller für ein Auto nach Anspruch 22, wobei die Stichanzahl ungefähr 2 pro cm beträgt.
Federteller für ein Auto nach Anspruch 17, wobei der Stahldraht ein einzelnes Filament des abgeschreckten und umverteilten Typs ist, der eine Zugfestigkeit von 2300 N/mm² und eine Streckspannung von 1518 N/mm² aufweist.