DE19712625C2

DE19712625C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Faserformkörpers

Info

Publication number: DE19712625C2
Application number: DE19712625A
Authority: DE
Inventors: Cris Kostmann; Karla Moegel; Guenter Stephani
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: DE19712625A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserformkörpers aus metallischen und/oder intermetallischen Fasern, die aufeinander geschichtet, verfestigt und an den Kreu zungspunkten miteinander verbunden werden, wobei die Fasern in das Innere einer rotie renden Streuwalze, deren Drehzahl kleiner oder gleich 60 U/min ist, transportiert und durch die Maschen der Streuwalze auf eine bewegte Unterlage abgelegt werden. Die Erfindung betrifft ferner Vorrichtungen für die Durchführung des Verfahrens.

Zur Herstellung bekannter Faservliese werden überwiegend mechanische Verfahren der Textiltechnik eingesetzt (siehe beispielsweise "Grundlage textiler Herstellungsverfahren", 1. Auflage, Fachbuchverlag Leipzig, 1991). Darüber hinaus sind bestimmte Sonderverfahren für spezielle Anwendungsfälle bekannt, wie z. B.

- aerodynamische Verfahren nach DE 91 10 654 U1
- hydrodynamische Verfahren gemäß DD-Patentschrift 157 811 oder
- Schmelzblasverfahren nach DE 89 16 164 U1

Mit den bekannten textiltechnischen Verfahren lassen sich nur feine Fasern mit Faser durchmessern vorzugsweise unter 10 µm verarbeiten. Die daraus hergestellten lockeren Faserverbunde müssen dann in einem weiteren Verfahrensschritt, beispielsweise durch Ka landern und Sintern, verdichtet und verfestigt werden. Dabei tritt eine Verringerung der Po rosität auf, wodurch der Anwendungbereich 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 be reitet. Die oben erwähnten Sonderverfahren, z. B. das aerodynamische Verfahren, ist hier nur eingeschränkt anwendbar, da der Energieaufwand für den Transport und die Homoge nisierung derartiger metallischer Fasern sehr hoch ist. Dies liegt in erster Linie an dem Ge wicht der Fasern aber auch an ihrer gestreckten Struktur. Ähnlich verhält es sich bei den hydrodynamischen Verfahren, die bei der Anwendung auf vergleichsweise schwere Fasern Probleme hinsichtlich der Homogenisierung der im flüssigen Medium transportierten Faser stücke bereiten.

Aus der DE 20 57 054 A und der DE 20 57 053 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallfaservliesen bekannt, bei dem man zerkleinerte Metallfasern in mehreren Schichten unter Rotationsbewegung auf eine Unterlage streut und zwischen die Schichten ein Klebe- bzw. Bindemittel aufbringt. Zum Aufstreuen der Fasern werden Siebtrommeln verwendet. Damit kann eine einheitlich strukturierte, homogene Fasermatte erreicht werden. Um das Ziel einer gleichförmigen Beschaffenheit und Porosität sicher zu erreichen, wird zusätzlich ein Vibrationssieb in den Streuvorgang eingeschaltet.

Aus der DE 20 57 063 A ist darüber hinaus eine Vorrichtung zur Herstellung von Faser vliesen bekannt, bei der eine Streuwalze in Form eines Hohlzylinders mit Maschenöffnungen verwendet wird, wobei die Maschenbreite zwischen 0,1 und 10 mm liegt und unterhalb der Streuwalze ein in horizontaler Lage hin und her beweglicher Schlitten angeordnet ist. Um die aus Spänen gebildeten Faserknäuel aufzulösen, sind im Inneren der Streutrommel festste hende Ableitbleche oder -bürsten angebracht. Mit Hilfe eines unterhalb der Streutrommel angeordneten Vibrationssiebes soll die Streubreite variiert werden können.

In Falkai, Bela von: Synthesefasern. Weinheim [u. a.] Verlag Chemie, 1981, Seiten 275-277, wird die Herstellung von Nonwoven aus Metallfasern beschrieben, die durch Schmelzspinn verfahren hergestellt wurden. Einzelheiten über die Herstellung von Faserformkörpern sind dieser Veröffentlichung nicht zu entnehmen. Einen zweischichtigen Faseraufbau mit unterschiedlicher Dichte zur Herstellung von Filtermaterialien ist aus der US 4 731 135 bekannt. Zur Herstellung wird ein Gas mit einem staubförmigen Bindemittel durch eine vor gegebene Faserschichtung geleitet, so daß an der Gaseintrittsseite mehr Bindemittel abge schieden wird als an der Austrittsseite. Dadurch wird die Porosität des Faseraufbaus an der Gaseintrittsseite gegenüber der Gasaustrittsseite verändert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstel lung von Faservliesen anzugeben, mit dem geschichtete Faservliese mit variablem aber vorherbestimmbaren Schichtaufbau und großer Strukturfestigkeit sowie einstellbarer Porosi tät herstellbar sind.

Die zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung soll einen variablen Schichtauf bau des Faservlieses über eine Steuerung der Porositäten, Schichtdicken und Strukturfe stigkeiten ermöglichen, die mittels vollautomatisch regelbarer Vorrichtungselemente erfolgen kann.

Zur Lösung dieser Aufgaben wird ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Merkma len der Patentansprüche 1 und 9 vorgeschlagen. Die damit herstellbaren porösen Faser strukturen lassen sich durch Sintern oder unter Verwendung eines Bindemittels verfestigen. Sie 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" wird ein Schichtaufbau mit konstanter Porosität (Schwankungsbreite ±1% der Gesamtporosität) verstanden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrer Ausführungsbeispiele 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 erfindungsgemäßen Verfahrens in der Faserherstellung durch Schmelzextraktion. Dabei wird eine rotierende, mehrschneidi ge Walze, die wassergekühlt ist, in ein Schmelzbad eingetaucht, wobei zwischen den V- förmigen Kanten der Walze und der Schmelze Schmelzfäden aus dem Schmelzbad heraus gezogen werden.

Die Schmelzfäden erstarren an den Kanten relativ rasch und werden durch die Fliehkraft von der Walze abgetrennt. Je nach Betriebsweise entstehen lange, kurze, dicke oder dünne Fä den 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. Schutzgasbedingungen 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 we gen ihres günstigen Oxidationsverhaltens bevorzugt für Anwendungen bei hohen Tempera turen, z. B. Heißgasfiltration einsetzbar.

Nach der Faserherstellung durch Schmelzextraktion werden die Fasern über einen Aufgabe trichter 4 (Fig. 2) auf ein Sieb 5 gegeben und dort vorvereinzelt.

Über eine - ggf. mehrstufige - Förderrinne 1 gelangen die vorvereinzelten Fasern in das In nere 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 gleich mäßig innerhalb der Walze 2 zu verteilen.

Aufgrund der Rotation der Streuwalze 2 fallen die Fasern durch Siebmaschen auf die Abla ge 3, die beispielsweise in Form eines horizontal hin und her beweglichen Schlittens ausgebildet ist.

Es ist auch möglich, daß der Schlitten 3 unterhalb der Streuwalze nur in eine Richtung be wegt wird, wodurch eine flächenhafte Faserschüttung mit homogener Struktur entsteht. Bei einer Hin- und Herbewegung des Schlittens 3 ergibt sich eine kontinuierliche Erhöhung der Schüttung. Durch Veränderung der Fasergeometrie während des Schichtaufbaus wird eine Gradientenstruktur erzielt.

Die Höhe der Schüttung richtet sich nach dem eingestellten Fasermengenstrom je Flächen einheit und nach der Anzahl der Schlittendurchläufe. Die Porosität der Schüttung ist abhän gig 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% einstellen, wobei die höheren Porositätswerte bei einem höheren Streckgrad erreicht werden. Der Streckgrad ist dabei definiert als das Verhältnis von Faserlänge zu Faserdurchmesser.

Mehrere Streuwalzen werden gleichzeitig verwendet, die sowohl in ihren Abmessungen und Maschenweiten als auch in der Rotationsgeschwindigkeit unterschiedlich ausgebildet sein können. Zu jeder Streuwalze führt dann ein zugehöriger Vibrationsförderer mit getrenntem Verteiler. Für einen schichtartigen Aufbau werden die Vibrationsförderer zweckmäßiger Wei se mit jeweils unterschiedlichen Fasern bestückt, die sich in Geometrie, in Materialart und in der Größenverteilung unterscheiden können.

In Fig. 2 ist die Bewegungsrichtung des Schlittens 3 mit dem Pfeil 8 angegeben. In dieser Richtung sind auch die weiteren Streuwalzen angeordnet, d. h. sie sind in Pfeilrichtung nacheinander positioniert, so daß zusätzliche Förderrinnen vorzugsweise 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 verfe stigt. Die unverfestigte Schüttung besaß eine Porosität von 95%.

In einem weiteren Anwendungsfall (nicht dargestellt) sind zwei Streuwalzen mit einem Vibra tionsförderer hintereinander geschaltet. Die erste Streuwalze besitzt eine Maschenweite von 2 mm, zweite Streuwalze 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 Wal zen nicht überschneiden. Die Walzendrehzahl beträgt dabei für beide Walzen je 40 Umdre hung/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 Po rosität von ca. 75% aufweist. Durch Einstellung unterschiedlicher Fasermengenströme kön nen die einzelnen Schichten unterschiedlich dick ausgeführt werden. Dies geschieht durch Steuerung der Vibrationsförderer, wobei jeweils gleiche Faserdurchmesser verwendet wer den. Es ergibt sich dann eine nach unten zunehmende Porengröße.

Der im vorbeschriebenen Anwendungsfall hergestellte Schichtaufbau läßt sich wie folgt be schreiben:
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 Festigkeitsanforderungen in ihrer Dickenabmessung daraufhin abgestimmt werden. Die darüberliegende, feinporige Oberschicht kann mit einer geringeren Dicke ausgebildet werden, so daß nur geringfügige 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 wer den mit einem Bindemittel vermischt und danach in eine Streuwalze von 17 cm Durchmes ser und einer Drehzahl 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

1. Verfahren zur Herstellung eines Faserformkörpers aus metallischen und/oder inter metallischen Fasern, die aufeinander geschichtet, verfestigt und an den Kreuzungs punkten miteinander verbunden werden, wobei die Fasern in das Innere einer rotie renden Streuwalze, deren Drehzahl kleiner oder gleich 60 U/min ist, transportiert und durch die Maschen der Streuwalze auf eine bewegte Unterlage abgelegt werden, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die metallischen und/oder intermetallischen Fasern mit einer überwiegend gestreckten Struktur in einer Länge L = 0,5 bis 5 cm und einem Durchmesser von d = 1 bis 2000 µm durch Schmelzextraktion hergestellt werden,
b) daß die Fasern strukturabhängig nach Größe, Form und/oder Zusammensetzung vorvereinzelt werden,
c) daß die Fasern über einen Vibrationsförderer und mehrere Verteiler (6) in das In nere mehrerer Streuwalzen transportiert werden,
d) und daß innerhalb der Streuwalzen eine Umorientierung der Fasern zur Bildung einer gradienten-förmigen Faserschichtung mit einer Porositätsschwankung von +-1% erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Streuwalze austretenden Fasern auf einen in horizontaler Richtung hin und her bewegten Schlitten abgelegt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Streuwalzen mit einer oder mehreren Vibrationsrinnen und einem Ver teiler verbunden sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage, auf die die Fasern schichtweise abgelegt werden, quer zur Fall richtung der aus der Streuwalze austretenden Fasern mit einer Geschwindigkeit zwi schen 0,1 und 10 cm/s bewegt wird.

5. 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 Horizontalgeschwindigkeit des Schlittens und/oder der Rotationsgeschwindigkeit der Streuwalze auf der Unterlage aufgebaut wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verfestigung des Schichtaufbaus durch Hinzugabe eines Bindemittels er folgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Fasern an den Kreuzungspunkten durch Diffusion erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Fasern durch Sintern erfolgt.

9. Vorrichtung zur Herstellung von Faservliesen aus Fasern, die gemäß einem der vor hergehenden Ansprüche mittels einer oder mehreren Streuwalzen (2), die aus je ei nem Hohlzylinder bestehen, und einer unterhalb der Streuwalzen (2) angeordneten Ablage in Form eines horizontal hin und her beweglichen Schlittens (3) aufeinander geschichtet und verfestigt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung aus einem Sieb (5) und einem Aufgabetrichter (4) für die durch Schmelzextraktion gewonnenen Fasern besteht,
und daß mehrere parallel arbeitende Streuwalzen (2) aus Hohlzylindern bestehen, die mit Maschenöffnungen mit der Maschenweite zwischen 0,1 und 10 mm versehen sind, die nebeneinander über einem beweglichen Schlitten (3) angeordnet sind, mit einer Vibrationsrinne (1) und mit mehreren Verteilern (6) verbunden sind, die in das Innere der Streuwalzen (2) hineinreichen.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuwalze (2) Einbauten (7) enthält, die im inneren des Hohlzylinders achs parallel und tangential zu den Maschenöffnungen und angeordnet sind.