DE19712625A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Faserformkörpers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Faserformkörpers

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserformkörpers wobei metallische und/oder intermetallische Fasern zu einer variablen Struktur aufeinandergeschichtet und verfestigt werden. Die Erfindung betrifft ferner Vorrichtungen für die Durchführung des Verfahrens.
Zur Herstellung bekannter Faservliese werden überwiegend mecha­ nische Verfahren der Textiltechnik eingesetzt (siehe beispiels­ weise "Grundlage textiler Herstellungsverfahren", 1. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig, 1991). Darüber hinaus sind bestimmte Sonderverfahren für spezielle Anwendungsfälle bekannt, wie z. B.
  • - aerodynamische Verfahren nach DE-G 91 10 654
  • - hydrodynamische Verfahren gemäß DD-Patentschrift 157811 oder
  • - Schmelzblasverfahren nach DE-G 89 16 164.5.
Mit den bekannten textiltechnischen Verfahren lassen sich nur feine Fasern mit Faserdurchmessern vorzugsweise unter 10 µm verarbeiten. Die daraus hergestellten lockeren Faserverbunde müssen dann in einem weiteren Verfahrensschritt, beispielsweise durch Kalandern und Sintern, verdichtet und verfestigt werden. Dabei tritt eine Verringerung der Porosität auf, wodurch der Anwendungsbereich in der Filtertechnik aber auch für Infiltra­ tionszwecke stark eingeschränkt wird.
Metallische Fasern mit einem Durchmesser von mehr als 20 µm weisen eine überwiegend gestreckte Struktur auf und lassen sich daher textiltechnisch nicht ohne weiteres zu einer porösen Struktur verarbeiten, da insbesondere die Bildung eines stabilen Faservlieses Probleme bereitet. Die oben erwähnten Sonderverfah­ ren, z. B. das aerodynamische Verfahren, ist hier nur einge­ schränkt anwendbar, da der Energieaufwand für den Transport und die Homogenisierung derartiger metallischer Fasern sehr hoch ist. Dies liegt in erster Linie an dem Gewicht der Fasern aber auch an ihrer gestreckten Struktur. Ähnlich verhält es sich bei den hydrodynamischen Verfahren, die bei der Anwendung auf vergleic­ hsweise schwere Fasern Probleme hinsichtlich der Homogenisierung der im flüssigen Medium transportierten Faserstücke bereiten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faservlieses anzugeben, das bzw. die die genannten Nachteile nicht aufweist, sondern die Herstellung von aus metallischen Fasern mit einem mittleren Durchmesser größer 10 µm bestehenden Faservliesen in einem ener­ gie- und umweltfreundlichen Verfahren zu ermöglichen. Eine be­ sondere Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, geschichtete Faservliese mit variablem aber vorherbestimmbaren Schichtaufbau und großer Strukturfestigkeit sowie einstellbarer Porosität herzustellen.
Die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung soll ebenfalls einen variablen Schichtaufbau des Faservlieses er­ möglichen, wobei die Steuerung der Porositäten, Schichtdicken und Strukturfestigkeiten vorzugsweise über vollautomatisch re­ gelbare Vorrichtungselemente erfolgt.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird ein Verfahren und eine Vorrich­ tung gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 14 vorge­ schlagen. Die damit herstellbaren porösen Faserstrukturen lassen sich durch Sintern oder unter Verwendung eines Bindemittels verfestigen. Sie sind homogen und können in ihrem Schichtaufbau gesteuert werden, wobei die einzelnen Schichten hinsichtlich Material und Fasergeometrie und dadurch bedingt in ihren Porosi­ tätseigenschaften variabel ausführbar sind. Unter dem Begriff "homogene Faserschicht" soll ein Schichtaufbau mit konstanter Porosität (Schwankungsbreite ± 1% der Gesamtporosität) ver­ standen werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbei­ spiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2 Prinzipbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht der erste Schritt des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens in der Faserherstellung durch Schmelz­ extraktion. Dabei wird eine rotierende, mehrschneidige Walze, die wassergekühlt ist, in ein Schmelzbad eingetaucht, wobei zwischen den V-förmigen Kanten der Walze und der Schmelze Schmelzfäden aus dem Schmelzbad herausgezogen werden.
Die Schmelzfäden erstarren an den Kanten relativ rasch und wer­ den durch die Fliehkraft von der Walze abgetrennt. Je nach Be­ triebsweise entstehen lange, kurze, dicke oder dünne Fäden bzw. Partikel, die zu überwiegend gestreckten Fasern ausgebildet werden.
Bei Legierungen, die unter normalen atmosphärischen Bedingungen zur Oxidation bzw. Schlackenbildung an der Schmelzbadoberfläche neigen, wird die Schmelzextraktion unter Vakuum- bzw. Schutz­ gasbedingungen durchgeführt. Die Walzenumfangsgeschwindigkeit beträgt im allgemeinen 5 bis 60 m/s, bevorzugt 20 m/s die Schmelztemperatur richtet sich nach der jeweils eingesetzten Legierung und liegt unter 2000°C. Bei Verwendung eines Vakuums wird dieses im Bereich von 10-1 bis 10-5 mbar eingestellt.
Aufgrund der bisherigen Erfahrungen sind Fe-Cr-Al-Legierungen und Ni-Al-Legierungen wegen ihres günstigen Oxidationsverhaltens bevorzugt für Anwendungen bei hohen Temperaturen, z. B. Heiß­ gasfiltration einsetzbar.
Nach der Faserherstellung durch Schmelzextraktion werden die Fasern über einen Aufgabetrichter 4 (Fig. 2) auf ein Sieb 5 gegeben und dort vorvereinzelt.
Über eine - ggf. mehrstufige - Förderrinne 1 gelangen die vor­ vereinzelten Fasern in das Innere der rotierenden Streuwalze 2.
In der Streuwalze 2 werden die Fasern weiter vereinzelt, was ggf. durch einen Verteiler 6 und Einbauten 7 beeinflußt werden kann. Ziel dieser Maßnahme ist es, die Fasern gleichmäßig in­ nerhalb der Walze zu verteilen.
Aufgrund der Rotation der Streuwalze 2 fallen die Fasern durch Siebmaschen auf die Ablage 3, die beispielsweise in Form eines horizontal hin und her beweglichen Schlittens ausgebildet ist.
Es ist auch möglich, daß der Schlitten 3 unterhalb der Streuwal­ ze nur in eine Richtung bewegt wird, wodurch eine flächenhafte Faserschüttung mit homogener Struktur entsteht. Bei einer Hin- und Herbewegung des Schlittens ergibt sich eine kontinuierliche Erhöhung der Schüttung. Durch Veränderung der Fasergeometrie während des Schichtaufbaus kann auch eine Gradientenstruktur erzielt werden.
Die Höhe der Schüttung richtet sich nach dem eingestellten Fa­ sermengenstrom je Flächeneinheit und nach der Anzahl der Schlittendurchläufe. Die Porosität der Schüttung ist abhängig von der Schüttdichte und der Geometrie der Fasern.
In der Praxis wird man über die Fasergeometrie die Porosität der Schüttung bestimmen. Sie läßt sich zwischen 50 und 98% ein­ stellen, wobei die höheren Porositätswerte bei einem höheren Streckgrad erreicht werden. Der Streckgrad ist dabei definiert als das Verhältnis von Faserlänge zu Faserdurchmesser.
Selbstverständlich sind auch mehrere Streuwalzen gleichzeitig verwendbar, die sowohl in ihren Abmessungen und Maschenweiten als auch in der Rotationsgeschwindigkeit unterschiedlich ausge­ bildet sein können. Zu jeder Streuwalze führt dann ein zugehöri­ ger Vibrationsförderer mit getrenntem Verteiler. Für einen schichtartigen Aufbau werden die Vibrationsförderer zweckmäßiger Weise mit jeweils unterschiedlichen Fasern bestückt, die sich in Geometrie, in Materialart und in der Größenverteilung unter­ scheiden können.
In Fig. 2 ist die Bewegungsrichtung des Schlittens mit dem Pfeil 8 angegeben. In dieser Richtung würden auch die weiteren Streuwalzen angeordnet werden, d. h. sie sind in Pfeilrichtung nacheinander positioniert, so daß zusätzliche Förderrinnen vor­ zugsweise parallel zu der vorhandenen Förderrinne 1 verlaufen.
Im dargestellten Beispiel 1 werden poröse Faserstrukturen mit einer Metallfaser der Länge L = 10 mm und einem Durchmesser d = 30 µm zu einem Faservlies 9 verarbeitet. Damit läßt sich eine Porosität von ca. 90% erreichen.
In einem zweiten Beispiel sind die metallischen Fasern L = 12 mm lang und weisen einen Durchmesser d = 50 µm auf. Sie werden über einen Vibrationsförderer über eine rotierende Streuwalze mit einem Durchmesser von 17 cm bei einer Maschenweite von 1 mm und einer Drehzahl von 28 Umdrehung/Min. zugeführt und aus einer Höhe von ca. 8 cm auf den Schlitten gestreut, der unter der Streuwalze mit einer Geschwindigkeit von 3 cm/Sek. hin und her bewegt wird. Sobald die Schüttung eine Höhe von 50 mm erreicht hat, wird die Vorrichtung abgeschaltet und die Schüttung unter Verwendung eines Binders verfestigt. Die unverfestigte Schüttung besaß eine Porosität von 95%.
In einem weiteren Anwendungsfall (nicht dargestellt) sind zwei Streuwalzen mit einem Vibrationsförderer hintereinander geschal­ tet. Die Streuwalze 1 besitzt eine Maschenweite von 2 mm, Streu walze 2 eine Maschenweite von 1 mm. In der ersten Streuwalze werden Fasern mit einer Länge von 1 cm und einem Durchmesser von 50 µm und in der zweiten Faser mit einer Länge von 0,6 cm bei einem Durchmesser von 150 µm verarbeitet.
Der Schlitten wird mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/Sek. unter den Walzen durchbewegt. Die Walzen sind zweckmäßiger Weise so angeordnet, daß sich die Streubereiche der Walzen nicht über­ schneiden. Die Walzendrehzahl beträgt dabei für beide Walzen je 40 Umdrehung/Min.
Man erhält in diesem Fall eine aus zwei Schichten aufgebaute Faserschüttung mit variabler Porosität, wobei die Unterschicht eine Porosität von ca. 93% und die Oberschicht eine Porosität von ca. 75% aufweist. Durch Einstellung unterschiedlicher Fa­ sermengenströme können die einzelnen Schichten unterschiedlich dick ausgeführt werden. Dies geschieht durch Steuerung der Vi­ brationsförderer, wobei jeweils gleiche Faserdurchmesser verwen­ det werden. Es ergibt sich dann eine nach unten zunehmende Po­ rengröße.
Der im vorbeschriebenen Anwendungsfall hergestellte Schicht­ aufbau läßt sich wie folgt beschreiben:
Auf eine relativ dicke, hochporöse Unterschicht wird eine dünne, aktive Schicht mit feineren Poren aufgebracht. Die Unterschicht dient als Stützschicht und sollte daher entsprechend den Festig­ keitsanforderungen in ihrer Dickenabmessung daraufhin abgestimmt werden. Die darüberliegende, feinporige Oberschicht kann mit einer geringeren Dicke ausgebildet werden, so daß nur geringfü­ gige Druckverluste beim Durchströmen feststellbar sind. Der Gesamtschichtaufbau vereinigt somit die Eigenschaften einer stabilen Stützschicht mit guten mechanischen Eigenschaften und einer feinporigen, selektiv wirkenden Oberschicht.
Ausführungsbeispiel für keramische Fasern
Faser aus Siliziumkarbid (SiC) mit einer Länge von 8 mm und einer Dicke von 10 µm werden mit einem Bindemittel vermischt und danach in eine Streuwalze von 17 cm Durchmesser und einer Dreh­ zahl von 15 min-1 gefördert. Die Maschenweite der Siebwalze beträgt 0,1 mm. Der Schlitten wird mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/s unter der Siebwalze hin und her bewegt. Dieser Vorgang läuft solange ab, bis eine Schicht von 2 cm Dicke aufgebaut ist. Die Probe wird durch Sintern verfestigt und besitzt danach eine Porosität von ca. 70%.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung eines Faserformkörpers, wobei metallische, intermetallische keramische und/oder Kohlen­ stoff-Fasern zu einer variablen Struktur aufeinanderge­ schichtet und verfestigt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß Fasergemische mit einer Länge im Bereich von L = 0,5 bis 5 cm und einem Durchmesser von d = 1 bis 2000 µm her­ gestellt werden,
daß die Fasern in das Innere einer rotierenden Streuwalze transportiert werden, deren Drehzahl kleiner oder gleich 60 U/min ist, daß die Fasern durch die Maschen der Streuwalze auf eine bewegte Unterlage abgelegt und an den Kreuzungspunkten miteinander verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Streuwalze austretenden Fasern auf einen in horizontaler Richtung hin und her bewegten Schlitten abge­ legt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserngemische strukturabhängig nach Größe, Form und/oder Zusammensetzung zu Partikel oder homogenen Fasern vereinzelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen oder intermetallischen Partikel und/oder Fasern mit einer überwiegend gestreckten Struktur durch Schmelzextraktion gebildet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern durch einen Vibrationsförderer in das Innere der Streuwalze gefördert und dabei vereinzelt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Streuwalzen mit einer oder mehreren Vibrations­ rinnen und einem Verteiler verbunden sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Streuwalzen eine Umorientierung der Fa­ sern zur Bildung einer Faserschichtung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage, auf die die Fasern schichtweise abgelegt werden, quer zur Fallrichtung der aus der Streuwalze aus­ tretenden Fasern mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,1 und 10 cm/s bewegt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gradientenförmig, variabler Schichtaufbau des Faservlieses erzeugt wird, wobei eine hochporöse Schicht als Unterschicht und eine feinporöse Oberschicht durch Variation der Faserabmessungen, der Horizontalgeschwindig­ keit des Schlittens und/oder der Rotationsgeschwindigkeit der Streuwalze auf der Unterlage aufgebaut wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schichtaufbau eine Verfestigung vorgenommen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verfestigung des Schichtaufbaus durch Hinzugabe eines Bindemittels erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Fasern an den Kreuzungspunkten durch Diffusion erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Fasern durch Sintern erfolgt.
14. Vorrichtung zur Herstellung von Faservliesen aus Fasern, die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufeinander­ geschichtet und verfestigt wurden, gekennzeichnet durch eine Siebtrommel (2) und einem Verteiler (6), die mit einer Vibrationsrinne (1), einem Sieb (5) und einem Aufgabetrich­ ter (4) für die durch Schmelzextraktion gewonnenen Fasern verbunden sind.
15. Vorrichtung nach dem vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuwalze (2) aus einem Hohlzylinder mit Maschen­ öffnungen besteht, wobei die Maschenweite zwischen 0,1 mm und 10 mm liegen kann.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Streuwalze (2) eine Ablage (3) in Form eines horizontal hin und her beweglichen Schlittens an­ geordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuwalze (2) Einbauten (7) enthält, die im Inne­ ren des Hohlzylinders achsparallel und tangential zu den Maschenöffnungen und angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, parallel arbeitende Streuwalzen nebeneinander über einem beweglichen Schlitten angeordnet sind, wobei die Vibrationsrinne (1) mit mehreren Verteilern (6) verbunden ist, die in das Innere der Streuwalzen hineinreichen.
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