DE19521946A1 - Verfahren zum Verbinden einer insbesondere nichttextilen Zellenstruktur mit textilen Deckschichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer insbesondere nichttextilen Zellenstruktur mit textilen Deckschichten zu einer Sandwich­ struktur gemäß Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere sollen dabei beliebige Materialkombinationen, wie z. B. Textilien, Kunststoffe, Metalle verbunden werden.

Es ist bekannt, daß mit Hilfe der Maschenbildungsverfahren, wie z. B. der Wirk- oder Nähwirktechnik verschiedene textile Strukturen miteinander verbunden und fixiert werden können. So wird beispielsweise mit Hilfe der Kettenwirktechnik ein System von unterschiedlich orientierten par­ allelen Fadenscharen, welche Gelege genannt werden, durch ein Ma­ schensystem verbunden. Diese Produkte nennt man verwirkte multiaxiale Gelege bzw. auch multiaxiale Kettengewirke. Weiterhin ist bekannt, daß auf Basis der Nähwirktechnologie (Malimo-Verfahren) beispielsweise Gewebe mit Wirkfasermatten oder Vliesen vernäht werden. Der Vorteil dieser textilen Halbzeuge liegt zum einen in der Verknüpfung von unterschiedlichen Textilien und der damit verbundenen Möglichkeit zur rationelleren Weiterverarbeitung bzw. zu einem rationelleren Transport sowie in der Verknüpfung unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften. Zum anderen vermindert der damit erzielbare gute Verbund zwischen den Textilien die Gefahr des Ablösens auf Grund von Schubspannungen, wobei bei Faserverbundwerkstoffen insbesondere die Delamination im Hinblick auf die dadurch sich stark vermindernde Festigkeit kritisch ist. Mit diesem bekannten Verfahren erhält man ein dreidimensionales verstärktes Textil. Der wesentliche Nachteil der beschriebenen Verfahren besteht jedoch darin, daß aus der Verknüpfung der unterschiedlichen Textilien als Endprodukt wiederum ein textiles Halbzeug entsteht.

Sandwich-Werkstoffe, wie sie beispielsweise im Leichtbau mit stark zunehmender Tendenz eingesetzt werden, weisen in der Regel Deck­ flächen auf, welche mit einem Inlay verklebt sind. Das zwischen den Deckflächen verklebte Inlay muß dabei nicht textiler Natur sein. Als Inlay werden bisher vor allem Schaumstoffe sowie Aluminium- bzw. Papierwabenstrukturen, die sogenannten Honeycombs, eingesetzt.

Bei den bisher üblichen und verwendeten Sandwich-Werkstoffen werden zunächst die Deckflächen gefertigt. Das kann beispielsweise ein textiles Halbzeug als Verstärkung für einen Faserverbund sein. Anschließend erfolgt dann die Verklebung der Deckflächen mit dem Inlay. Derartige Deckflächenlaminate werden insbesondere für Flugzeugböden eingesetzt. Neben der aufwendigen Fertigungstechnik besteht zudem der Nachteil, daß die mechanischen Eigenschaften des Sandwich-Verbundes nicht optimal eingestellt werden können. So besteht die Gefahr des vorzeitigen Versagens des Sandwich-Werkstoffes durch Delamination zwischen Deck­ fläche und Inlay.

Aus der EP 0 526 363 A2 ist des weiteren eine flexible Compositdecke bekannt, welche zu Wärmeisolationszwecken eingesetzt wird. Ein Silizium­ carbid-Grundgewebe und mehrfache abwechselnde Schichten aus einzelnen aluminierten Schichten und/oder bienenwabenartigen Folien werden durch ein geeignetes Fadensystem in Form einer Steppnaht zusammengehalten, wozu zwei Fäden erforderlich sind. Als Nähgarn wird dabei temperatur­ beständiges Keramikgarn verwendet. Die eingesetzten Bienenwabenstruktu­ ren dienen als Abstandshalter; um die Wärmeleitungseigenschaften der wärmeisolierenden Decke zu verringern. Als Zellstruktur werden Bienen­ waben mit, bezogen auf die Längsrichtung, bis zu 60° geneigten Zell­ wänden verwendet.

Die Nachteile eines derartigen Compositwerkstoffes bzw. des zu dessen Herstellung verwendeten Verfahrens bestehen zum einen darin, daß die Deckschichten, welche sogenannte Interlock-Siliziumcarbid-Gewebe sind, zunächst in einem separaten Arbeitsgang vor dem eigentlichen Verstep­ pen der vielfachen Schichten hergestellt werden. Erst dann kann ein Übereinanderanordnen der einzelnen Schichten und ein anschließendes Vernähen in nachfolgenden Arbeitsgängen erfolgen. Zum anderen besteht der Nachteil darin, daß beim Vernähen durch die geneigten Wände der Wabenstruktur die Wände durch die Nadel zerstochen und damit erheb­ lich geschwächt werden. Das ist für Materialien besonders nachteilig, welche als Ausgangsstoff für Verbundwerkstoffe dienen. Das trifft glei­ chermaßen zu für das Übereinanderanordnen von zahlreichen einzelnen dünnen Schichten einer Wabenstruktur, welche niemals so angeordnet werden können, daß die zum Steppnähen verwendeten Nadeln die Wände der einzelnen Bienenwaben nicht zerstören. Beschränkend im Hinblick auf die zu erzielende Festigkeit ist des weiteren die Tatsache, daß beim Nähen durch die Nadelköpfe nur ein relativ großer Nadelabstand erziel­ bar ist.

Des weiteren ist in der WO 80/02253 eine Sandwich-Struktur beschrie­ ben, welche aus Deckschichten besteht, die zwischen sich eine Weich­ schaumstoffeinlage einschließen und miteinander vernäht sind. Um ent­ sprechende Festigkeiten zu erzielen, sind bei der beschriebenen Struktur an gegenüberliegenden Außenseiten der Schaumstoffeinlage Abschnitte von hochfesten Fasern durch die die Schaumstoffeinlage abdeckenden Außenschichten gezogen. Diese hochfesten Fasern werden im anschließen­ den Nähvorgang als Fasern benutzt, welche die Nähfaser sich nicht in den weichen Schaumkern einziehen lassen. Darüber hinaus ist bei dem beschriebenen Verbundwerkstoff die Art der Deckschichten als dünne Haut ausgebildet, d. h. bildet eine relativ geschlossene Außenfläche. Der Schaumkern dient dazu, nach einem Tränken mit einem aushärtbaren Harz eine steife zellenartige Harzstruktur im Innern des Compositwerk­ stoffes zu bilden. Auch bei diesem beschriebenen Sandwich-Material sind mehrere Arbeitsgänge für das Herstellen des für den ausgehärteten Verbundwerkstoff notwendigen Zwischenproduktes erforderlich. Darüber hinaus sind derartige Verbundwerkstoffe durch das Ausbringen von Harz in die gesamte zellulare innere Struktur des Schaumstoffes relativ schwer und benötigen relativ große Mengen an Harz, welche im Bereich von ca. 4-5 kg/m² liegen. Außerdem läuft der Harzausbringvorgang relativ langsam ab.

In der DE 34 18 913 C2 ist ein Laminarblock beschrieben, welcher aus einer Vielzahl von laminierten plattenförmigen Elementen aus anorgani­ schen Fasern besteht. Diese Vielzahl von aufeinandergestapelten Platten bzw. scheibenförmigen Elementen wird durch Vernähen zu einem Lami­ narkörper integriert. Ein derartiger Laminarkörper wird vor allen Dingen zum Auskleiden von wärmeisolierenden Konstruktionen verwendet und ist nicht beabsichtigt als Zwischenprodukt zur Herstellung eines ausgehärte­ ten Sandwich-Materials. Dadurch, daß im Innern keine Zellenstruktur vor­ handen ist, besteht der wesentliche Nachteil eines derartigen Laminar­ blockes gerade darin, daß er vom Harz unter Umständen, insbesondere wenn mehrere Schichten übereinander angeordnet werden, nicht voll­ ständig durchdrungen werden kann und deshalb einer Aushärtung zur Erzielung eines harten Compositwerkstoffes nicht zugänglich ist. Die erzielbare Fadendichte des Fadensystems ist ebenfalls durch den durch die Nadelköpfe bedingten relativ großen Nadelabstand beschränkt, was Grenzen für die interlaminare Scherfestigkeit setzt.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden einer insbesondere nichttextilen Zellenstruktur mit insbesondere textilen Deckschichten zu einer Sandwich-Struktur als Ausgangsprodukt für einen Compositewerkstoff zu schaffen, welcher leicht zu handhaben ist, eine drastische Verringerung der zu seiner Herstellung erforderlichen Prozeß­ schritte ermöglicht und darüber hinaus die Gefahr einer Delamination des fertigen Compositewerkstoffes bei Belastung durch Erhöhung der interlaminaren Scherfestigkeit im wesentlichen eliminiert wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein Verfahren zum Verbinden einer insbesondere nichttextilen Zellenstruktur dar, welche vorzugsweise eine Wabenstruktur ist, mit mindestens jeweils einer textilen Oberschicht und einer textilen Unterschicht zu einer Sandwich-Struktur mittels eines Fadensystems. Das Fadensystem wird vorzugsweise durch die Wirktechnik erzeugt. Die sich zwischen den textilen Außenschichten bzw. Deckschich­ ten befindende Zellenstruktur weist im wesentlichen senkrechte Wände auf und ist über die gesamte Breite der Sandwich-Struktur durchlaufend. Die textilen Deckschichten bestehen dabei vorzugsweise aus mindestens zwei multiaxialen Gelegen, vorzugsweise aus anorganischen Materialien, wie z. B. Glaswolle, Keramikfasern oder anderer Mineralwolle. Die multia­ xialen Gelege werden dabei vorzugsweise auf einer Kettenwirkmaschine mit multiaxialen Schußeintragssystemen (System LIBA) erzeugt, welche der Wabenstruktur, welche vor einer Verarbeitung noch relativ flexibel ist, in einer Weise zugeführt wird, daß diese zwischen den Deckschichten angeordnet wird. Je nach Anwendungsfall ist die Anzahl der für die Deckschichten verwendeten Gelege unter Umständen auch deutlich höher als zwei. Indem die Zellenstruktur so zugeführt wird, daß sie zwischen den Deckschichten angeordnet wird, wird in einem trockenen Verfahren in einem einzigen Arbeitsgang mittels eines Fadensystems, welches vor­ zugsweise mit der Wirktechnik erzeugt wird, eine noch flexible, leicht handzuhabende mattenartige Struktur erzeugt, welche vorzugsweise auf Rollen aufwickelbar ist. Der kleinste Aufwickelradius richtet sich danach nach der Höhe der eingewirkten Wabenstruktur und somit nach deren Biegsamkeit.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als Maschinenfaden eine Hochleistungsfaser eingesetzt. Wenn die als Zwischenprodukt dienende flexible mattenartige Struktur zu ausgehärteten ebenflächigen Sandwich- Platten verarbeitet werden soll, welche vor allen Dingen im Flugzeugbau als Flugzeugböden Einsatz finden, ist es besonders bevorzugt, in einem nachgeschalteten On-Line-Verfahrensschritt die verwirkte Sandwich-Struk­ tur über eine Einrichtung zum Tränken mit einer aushärtbaren oder schmelzbaren Trägermatrix, eine Aushärteinrichtung oder eine nachgeord­ nete Kühleinrichtung zu führen. Plattenelemente gewünschter Länge können dann auf Standardgrößen bzw. beliebige Längen abgelängt wer­ den.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens bzw. des mit dem Verfahren erzielten Produktes besteht darin, daß speziell bei der Sandwich-Fertigung statt einer Vielzahl von vorher in Einzelschritten herzustellenden zu­ sammenzufügenden Einzelteilen das Sandwich-Halbzeug direkt in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden kann. Dabei können die mechani­ schen Eigenschaften des Materialverbundes optimiert bzw. eine Überdimensionierung vermieden werden. Ein weiterer Vorteil besteht auch in der guten Drapierbarkeit in Fällen, in denen vor allen Dingen ge­ krümmte Bauteile aus der Sandwich-Struktur erzielt werden sollen, die als Zwischenprodukt dienende Struktur bei extrem leichtem Handling an den Ort der Verarbeitung gebracht werden und in die jeweilige Form gedrückt werden kann, woran sich das eigentliche Imprägnieren und Aushärten oder Abkühlen anschließen. Die Vorteile bestehen gerade darin, daß nicht einzelne Schichten an derartigen Orten einzeln aufgetra­ gen werden müssen und darüber hinaus darin, daß vor allen Dingen auch bei gekrümmten Bauteilen bei gesteigerter Belastung durch das enge Wirkfadensystem ein Delaminieren von Deckschichten und Inlay- Schicht vermieden wird.

Die bekannten sogenannten Prepreg-Produkte sind wegen ihrer Klebrig­ keit dafür nur bedingt geeignet, vor allem eben wegen der komplizierten Handhabung.

Durch die senkrechte Anordnung der Wände der Wabenstruktur wird ein Beschädigen der Wände der Wabenstruktur durch die Nadeln beim Wirkvorgang weitestgehend vermieden. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Zufuhrbewegung der Zellenstruktur in die Wirkmaschine mit der Nadelstellung so synchronisiert, daß durch jede Zelle der Wabenstruktur im wesentlichen die gleiche Anzahl von Fäden gezogen wird und die Wände weitestgehend unbeschädigt bleiben, d. h. von den Nadeln nicht getroffen werden.

Die Erfindung wird nun an Hand eines speziellen Ausführungsbeispiels, welches in der beigefügten Figur dargestellt ist, detailliert erläutert.

Die Figur zeigt eine mit dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellte Sandwich-Struktur, welche aus als Fadengelege ausgebildeten Deckschich­ ten 1, 3 mit einer Wabenstruktur 2 dazwischen durch Verwirken auf der Basis der Kettenwirktechnik mit multiaxialen Schußeintragssystemen, z. B. nach dem System LIBA, hergestellt ist.

Die in der Figur dargestellte Materialkombination der Sandwich-Struktur zeigt als Unterschicht 1 und als Deckschicht 3 ein Fadengelege, welches jeweils aus zwei Schichten besteht und in unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnet ist. Die Ausrichtung der Gelegeschichten zuein­ ander sowie bezüglich der Vorschubbewegung des herzustellenden Sand­ wich-Produktes ist dabei für die Unterschicht 1 und die Deckschicht 2 verschieden. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Gelege der Unter­ schicht I, bezogen auf die Förderrichtung, in einer 45°-Winkelanordnung zueinander übereinandergelegt, während die beiden Gelegeschichten der Deckschicht 2 in 90°-Anordnung zueinander gelegt sind. Die unterschiedli­ chen Orientierungen der Gelege dienen der weiteren Festigkeitserhöhung der fertigen Sandwich-Struktur, ohne Erhöhung des Materialaufwandes. Als Material für die Gelege der Deckschichten 1, 3 werden vorzugs­ weise anorganische Fasern wie z. B. Glaswolle, Mineralwolle u.ä. ver­ wendet.

Die so übereinandergeschichteten Materialien werden einer Wirkmaschine zugeführt und zu einem Verbund zu einer Einheit miteinander verbun­ den. Vorzugsweise kann die Anordnung der einzelnen Gelegestränge auf den Abstand der Nadeln 4 abgestimmt werden, so daß beim Verwirken in Synchronabstimmung zwischen Vorschubbewegung des Materialpaketes 5 und Wabenstrukturabmessung sowie Gelegestrangdicke ein möglichst verletzungsfreies Verwirken der einzelnen Bestandteile der Sandwich- Struktur erzielt wird. Die Verbindungsfäden, welche sich durch das gesamte Material erstrecken, saugen sich während des Tränkens mit der aushärtbaren Trägermatrix durch Kapillarwirkung voll Harz und dienen somit neben einer Sicherung gegen Delamination von Deck- und Unter­ schicht 1, 3 von der Wabenstruktur 3 einer zusätzlichen Stütze und somit Erhöhung der Festigkeit der fertig ausgehärteten Sandwich-Struktur.

Gegenüber bekannten Sandwich-Strukturen erreicht die mit dem erfin­ dungsgemaßen Verfahren hergestellte Sandwich-Struktur eine um minde­ stens 15% höhere interlaminare Scherfestigkeit.

Claims (8)

1. Verfahren zum Verbinden einer insbesondere nichttextilen, über die gesamte Breite einer Sandwich-Struktur durchlaufenden Zellenstruktur mit mindestens jeweils einer textilen Oberschicht und einer textilen Unterschicht zu einer Sandwich-Struktur mittels eines Fadensystems, dadurch gekennzeichnet,
daß die textile Oberschicht und die textile Unterschicht aus Gelegen mit unterschiedlichen Fadenvorzugsorientierungen erzeugt werden;
die Zellenstruktur im wesentlichen senkrechte Wände aufweist; und
die textile Oberschicht, die Zellenstruktur und die textile Unter­ struktur in einem Arbeitsgang in einem trockenen Verfahren mittels des Fadensystems zu einer flexiblen, leicht handzuhabenden matten­ artigen Struktur verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faden­ system durch Vermaschen erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Maschenfaden eine Hochleistungsfaser eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem nachgeschalteten On-Line-Verfahrensschritt die vermaschte Sandwich-Struktur über eine Einrichtung zum Imprägnieren mit einer aushärtbaren oder schmelzbaren Trägermatrix, eine Aushärteinrich­ tung oder eine Kühleinrichtung geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vermaschte flexible Struktur als Zwischenprodukt auf Rollen aufge­ wickelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zufuhrbewegung der Zellenstruktur zum Vermaschen mit der Nadelstellung so synchronisiert wird, daß durch jede Zelle im wesentlichen die gleiche Anzahl von Fäden gezogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu­ fuhrbewegung und Nadelstellung so synchronisiert werden, daß im wesentlichen keine Zellwände von Nadeln getroffen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierung über eine in die Wabenstruktur eingreifende Sta­ chelwalze realisiert wird, deren Antrieb mit dem Nadelantrieb gekop­ pelt ist.