DE19932842B4 - Carbon fiber sewing thread for fiber-plastic composite components - Google Patents
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Abstract
Multi-Filament Kohlenstofffasernähgarn zur Verarbeitung auf schlingenbildenden Maschinen, als schlingenbildender Faden, insbesondere Doppelsteppstichnähmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern im Kern (2) in Multi-Filament-Form (Rovings) vorliegen und durch einen gehäkelten Maschenmantel (4), bestehend aus einem weiteren Material (1), umhüllt sind.Multi-filament carbon fiber sewing thread for processing on loop-forming machines, as a loop-forming thread, in particular lockstitch sewing machines, characterized in that the carbon fibers in the core (2) are in multi-filament shape (rovings) and by a crocheted stitch jacket (4) consisting of a further material (1) are covered.
Description
Die Endung betrifft eine Garnklasse entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The ending concerns a yarn class according to the preamble of claim 1.
Zur Herstellung von Verstärkungsfaser-Vorformlingen für die Harzinjektionstechnik zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) wird die Nähtechnologie eingesetzt. Es ist bekannt, dass Kohlenstofffaser-Nähgarne optimale Eigenschaften im Faser-Kunststoff-Verbund bieten. Ein Nähgarn der Firma Toray, welches in 2-fach und 3-fach gezwirnter Form vorliegt, ist am Markt erhältlich. Weiterhin sind verschiedene Versionen von Kohlenstoff-Stapel-Faser Garnen, die zu einem Zwirn weiter verarbeitet werden verfügbar (Toray Industries, Inc., Tokyo, Japan: Produktübersicht/Blantyre-Schappe Carbon Products SA, Charnoz, France: Produktübersicht). Beide beschriebene Nähgarne sind im industriellen Maßstab auf Nähanlagen (bzw. schlingenbildenden Maschinen) nur unzureichend zu verarbeiten. Darüber hinaus ist bei beiden ein Abfall der statischen Festigkeitskennwerten durch das angewandte Herstellverfahren (Zwirnen, Reißen) festzustellen (Morales, A.: Structural Stitching of textile Preforms. 22nd Int. SAMPE Technical Conference, Nov. 6–8, 1990). Auftretender Abrieb (am Nähgarn) während der diversen Fadenumlenkungen auf der Verarbeitungsmaschine führt weiterhin zu erhöhtem Verschleiß an den Maschinenteilen, sowie zur Absenkung der Fasereigenschaften durch erhöhten Faserabrieb (Bsp. Nähmaschinen-Greifer). Der Einsatz bisheriger Verstärkungsnähfäden auf den unterschiedlichsten Nähmaschinentypen ist nur sehr eingeschränkt möglich. So konnten solche Fäden bisher nur auf fadenschonenden Kettenstich-Maschinen, bei denen die Übernahme des Nadelfadens durch den Greifer unkritisch ist, erfolgreich verarbeitet werden. Rovings (Multi-Filament-Garne) sind aufgrund ihrer Offenheit auf Doppelsteppstichmaschinen nicht vernähbar. Die Übernahme des kompletten Nadelfadens durch die Greiferspitze kann hier nicht sicher erfolgen.For the production of reinforcing fiber preforms for the Resin injection technology for the production of fiber-plastic composites (FKV) becomes sewing technology used. It is known that carbon fiber sewing threads are optimal Offer properties in the fiber-plastic composite. A sewing thread from the company Toray, which is available in double and triple twisted form available on the market. Furthermore, different versions of carbon staple fiber yarns are which are further processed into a thread available (Toray Industries, Inc., Tokyo, Japan: Product Overview / Blantyre-Schappe Carbon Products SA, Charnoz, France: product overview). Both described sewing threads are on an industrial scale on sewing systems (or loop-forming machines) can only be processed insufficiently. About that in addition there is a drop in the static strength values for both determined by the manufacturing process used (twisting, tearing) (Morales, A .: Structural Stitching of textile Preforms. 22nd Int. SAMPE Technical Conference, Nov. 6-8, 1990). Abrasion occurs (on sewing thread) while of the various thread deflections on the processing machine continues to lead to increased Wear on the Machine parts, as well as to lower the fiber properties increased Fiber abrasion (e.g. sewing machine gripper). The use of previous reinforcement sewing threads various sewing machine types is only very limited possible. So could such threads So far only on thread-saving chain stitch machines where the takeover of the needle thread by the hook is not critical, successfully processed become. Rovings (multi-filament yarns) are because of their openness Cannot be sewn on lockstitch machines. The takeover of the complete needle thread due to the gripper tip, this cannot be done safely.
Aus der Textiltechnik ist bekannt, elastische Fäden zu umhäkeln, um diese in ihrer Dehnbarkeit zu begrenzen (Strauss, T.: Elastan-Kombinationsgarne. Kettenwirk-Praxis 2/98, Obersthausen) und dadurch auf Textilmaschinen verarbeitbar zu machen. Die Dehnfähigkeit beispielsweise eines Bayer Dorlastan-Garns kann von über 200 % auf 50 % gesenkt werden (Strauss, T.: Elastan-Kombinationsgarne. Kettenwirk-Praxis 2/99, Obertshausen).It is known from textile technology elastic threads to crochet to limit their stretchability (Strauss, T .: Elastane combination yarns. Warp knitting practice 2/98, Obersthausen) and therefore processable on textile machines close. The elasticity For example, a Bayer Dorlastan yarn can have over 200 % are reduced to 50% (Strauss, T .: Elastane combination yarns. Warp knitting practice 2/99, Obertshausen).
In
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kohlenstofffaserrovings (Multi-Filament-Garne) vernähbar, das heißt auf einer Standard-Nähmaschine verarbeitbar zu machen. Sowie auf der Herstellung von Faser-Matrix-Verbund kompatiblen Nähgarnen. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Sachanspruchs 1 gelöst.The invention has for its object carbon fiber rovings (Multi-filament yarn) sewable, this means Can be processed on a standard sewing machine close. As well as compatible on the manufacture of fiber matrix composite Sewing threads. The Task is characterized by the characteristic features of the claim 1 solved.
Hochfeste Multi-Filament-Kerne (Kohlenstofffaserrovings) bieten im Vergleich zu gezwirnten bzw. Stapelfasergarnen die besten mechanischen Eigenschaften. Solche Garne bieten für die Vernähung von textilen Verstärkungsstrukturen zur Kunststoffarmierung erhebliches Potential. Diese Anforderungen werden durch die Verwendung eines Garns mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.High-strength multi-filament cores (carbon fiber rovings) offer the best compared to twisted or staple fiber yarns mechanical properties. Such yarns offer for the sewing of textile reinforcement structures considerable potential for plastic reinforcement. These requirements will be by using a yarn with the features of the claim 1 solved.
Der Multi-Filament-Kern wird auf einer Umhäkelmaschine mit einem weiteren Faden umhäkelt, wobei der Roving nach diesem Prozess noch immer in gestreckter Form vorliegt. Dadurch ist es möglich, hoch spröden Materialien eine gewisse Dehnfähigkeit zu verleihen. Hier liegt der wesentliche Unterschied zum heutigen Einsatz dieser Technik, da die Umhäkelung gerade nicht zur Fixierung eines elastischen Kernes, sondern zum Schutz eines starren Filamentbündels eingesetzt wird. Der bisherige Effekt des Prozesses Umhäkeln wird also umgekehrt.The multi-filament core is on a crochet machine crochet with another thread, whereby the roving is still stretched after this process. This makes it possible to get high brittle Materials a certain elasticity to rent. This is the main difference from today's Use of this technique because the crochet is not for fixation an elastic core, but used to protect a rigid bundle of filaments becomes. The previous effect of the crochet process is therefore reversed.
Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Garnes kann die Einbringung einer Z-Verstärkung, in Form eines Multi-Filament-Rovings in eine im wesentlichen zweidimensionale textile Struktur, durch eine Doppelsteppstichnähmaschine oder anderer Textiltechniken erfolgen. Bei Verwendung eines solchen Garnes ist es auch möglich, die Nähgeschwindigkeit aufgrund der gestiegenen Scheuerfestigkeit zu erhöhen.By using a yarn according to the invention can the introduction of a Z-reinforcement, in Shape of a multi-filament roving into an essentially two-dimensional one textile structure, by a lockstitch sewing machine or other textile techniques respectively. When using such a yarn, it is also possible to use the Sewing speed due to the increased abrasion resistance.
Die Abrasion an einem spröden Kohlenstofffaser-Zwirn durch die fadenführenden Elemente wird erheblich reduziert, was einerseits zur Vernähbarkeit selbst, und zum anderen zu erhöhten Fasereigenschaften des vernähten Garns führt. Die Festigkeit des anschließend entstehenden Faser-Kunststoff-Verbundes wird dadurch ebenfalls verbessert. Die den Kern schützende Maschenstruktur, die Umhäkelung, ermöglicht einen kontinuierlichen Nähprozess, selbst wenn Schädigungen am Kernmaterial auftreten. Die Überwachung von Nahtparametern kann somit zur Kontrolle der zu erwartenden mechanischen Eigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbundes (FKV) eingesetzt werden.Abrasion on a brittle carbon fiber twist due to the thread-guiding elements is considerably reduced, which on the one hand leads to sewability itself and on the other hand leads to increased fiber properties of the sewn yarn. The strength of the resulting fiber-plastic composite is also improved. The mesh structure protecting the core, the crochet, enables a continuous sewing process, even if the core material is damaged. The monitoring of seam parameters can thus be used to check the mechanical properties of the fiber-plastic composite (FKV) to be expected.
Die Umhäkelung des Multi-Filament-Kerns kompaktiert und verschließt das Garn in einem für die Verarbeitung erforderlichem Maße, so dass die Schlingenbildung, insbesondere auf Doppelsteppstichnähmaschinen durch die Übernahme des Nadelfadens durch die Greiferspitze, stattfinden kann.The crochet of the multi-filament core is compacted and closes the yarn in one for the processing necessary so that the loop formation, especially on lockstitch sewing machines through the takeover of the needle thread through the hook tip.
Durch Wahl des Umhäkelungsmaterials ist es möglich, 1- bzw. 2-Stoffsysteme zu erzeugen. Beispielsweise können wasserlösliche Polymere eingesetzt werden, die nur einen temporären Schutz bis zum Ende der Verarbeitung bieten bzw. den Verarbeitungsvorgang überhaupt erst ermöglichen. Andere Vorteile sind bei 3-dimensionalen thermoplastischen Faserkunststoffverbunden zu finden. Dort können die Maschenfäden aus dem Matrix-Polymer des FKVs bestehen und somit im Anschluss an die Konsolidierung Bestandteil der Matrix werden. Die Viskosität der Thermoplaste während des Imprägniervorgangs erfordert auch die Platzierung der Matrix-Fäden in unmittelbarer Nähe der zu imprägnierenden Faser, was mit der Garnkonstruktion erreicht beziehungsweise unterstützt wird.By choosing the crochet material Is it possible, To produce 1- or 2-material systems. For example, water-soluble polymers are used, which only provide temporary protection until the end of the Offer processing or the processing operation at all enable first. Other advantages are associated with 3-dimensional thermoplastic fiber plastic to find. There you can the stitch threads from the matrix polymer of the FKV and therefore part of the consolidation after the consolidation of the matrix. The viscosity of the Thermoplastics during of the impregnation process also the placement of the matrix threads in the immediate vicinity of the impregnated Fiber, which is achieved or supported with the yarn construction.
Die erfindungsgemäßen Garne können auf allen schlingenbildenden Maschinen eingesetzt werden. So ermöglicht diese Technologie auch die erweiterte Nutzung weiterer Textiltechniken für FKV-Anwendungen (Stricken, Wirken, 3D-Techniken, Vliese,...).The yarns of the invention can be loop-forming on all Machines are used. So this technology also makes it possible the extended use of further textile technologies for FKV applications (Knitting, knitting, 3D techniques, fleeces, ...).
Der Prozess des Umhäkelns ermöglicht die Herstellung von sehr dünnen Hybridfäden, was speziell im Hinblick auf die in-plain Eigenschaften, also die mechanischen Kennwerte in der Laminatebene von Vorteil ist.The process of crocheting enables production of very thin Blended threads, what specifically with regard to the in-plain properties, i.e. the mechanical characteristics in the laminate level is an advantage.
Ebenfalls können Hybrid-Mulit-Filament-Fäden ohne einen Zwirnprozess nähbar gemacht werden.Hybrid multi-filament threads can also be made without a twisting process sutured be made.
Ein Kohlenstofffaser-Mulit-Filament-Roving (
Um eine optimale kraftschlüssige Verbindung zwischen mehreren ebenen Verstärkungstextilien zu erzeugen, ist der Einsatz von Kohlenstofffaserrovings erforderlich. Die Einbringung der Verstärkungsfäden mittels Nähtechnik, insbesondere Doppelsteppstich, ist durch die Verwendung des hier beschriebenen Garns möglich. Der Roving liegt in gestreckter Form in Dickenrichtung des Laminats vor. Verluste durch Zwirnung bzw. Verdrehung der Rovings sind somit vermieden. Durch die Maschenstruktur des Häkelns werden Fasern mit einer Dehnfähigkeit von ca. 1% vernähbar. Die beschriebene Verhäkelung schützt und kompaktiert das Garn gleichzeitig, was zu einem ungestörten Abziehen der Fäden beiträgt und auch gewährleistet, dass teilweise geschädigte Rovings weiter vernäht werde können, da die Gesamtstruktur intakt bleibt und somit der Prozess nicht abreißt. Die Herstellung eines sehr dünnen umhäkelten Garns (ca. 5 – 10 tex) könnte hier auch eine FKV-kompatible Alternative zu den störenden Polyesterfäden in Multi-Axial-Gelegen (hergestellt auf Maschinen der Firmen Liba Maschinenfabrik GmbH oder Karl-Mayer Malimo Maschinen) darstellen.For an optimal frictional connection between several flat reinforcement textiles to produce, the use of carbon fiber rovings is required. The introduction of the reinforcement threads by means of sewing, especially lockstitch, is by using the here described yarn possible. The roving is stretched in the direction of the thickness of the laminate in front. Losses due to twisting or twisting of the rovings are thus avoided. Due to the mesh structure of the crochet, fibers with a extensibility sewable by approx. 1%. The crochet described protects and compacting the yarn at the same time, resulting in undisturbed pulling off of threads contributes and also ensures that partially damaged Rovings sewn on will be able because the overall structure remains intact and therefore the process is not interrupted. The Making a very thin crocheted Yarns (approx. 5 - 10 tex) could be here also a FKV-compatible alternative to the annoying polyester threads in multi-axial fabrics (manufactured on machines from Liba Maschinenfabrik GmbH or Karl-Mayer Malimo machines) represent.
Die Ummantelung kann bei dem Garn in mehreren Variaten vorliegen. Soll beispielsweise ein Einstoffsystem erzeugt werden, ist es möglich den schützenden Mantel mit einem Faden aus wasserlöslichem Polymer herzustellen. Dieses Polymer kann in einem Folgeprozess durch Waschen wieder entfernt werden. Das vernähte Textil besteht nach dem Waschen als ein Einstoffsystem, was eine hochwertige Qualität des FKV ermöglicht.The sheathing can be with the yarn are available in several variations. For example, a single-substance system generated, it is possible the protective To produce a jacket with a thread of water-soluble polymer. This polymer can be removed by washing in a subsequent process. The stitched After washing, textile exists as a single-substance system, which is one high quality of the FKV.
Die Umhäkelung kann auch aus dem Matrixpolymer bestehen. Dieser Fall wird insbesondere zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen interessant. Der Einsatz von Multi-Axial-Gelegen für die Halbzeugherstellung kann durch den Einsatz von Nähfäden optimiert werden, die zum einen aus dem Matrixpolymer bestehen und somit kompatibel mit der Matrix sind, und zum anderen durch einen Kohlenstoffroving die Fixierung der Lagen bei der Konsolidierung beinhalten. Die Imprägnierung dieses in Dickenrichtung vorliegenden Rovings erfolgt mit dem umhäkelten Matrixfaden, dessen Anteil mit der Zahl der Umhäkelungen einstellbar ist. Der Kohlenstofffaserroving in Dickenrichtung bietet darüber hinaus eine Verbesserung der Schadenstoleranz gegen über Schlagbelastungen (Impacteigenschaften).The crochet can also be made from the matrix polymer consist. This case is particularly used for the production of thermoplastic Fiber composite materials interesting. The use of multi-axial fabrics for the Semi-finished product manufacture can be optimized through the use of sewing threads, on the one hand consist of the matrix polymer and therefore compatible with the matrix and secondly by carbon roving the fixation of consolidation situations. The impregnation this roving in the thickness direction is made with the crocheted matrix thread, whose proportion is adjustable with the number of crochet. The Carbon fiber roving in the thickness direction also offers an improvement in damage tolerance to impact loads (impact properties).
Die Erfindung ist anhand zweier Darstellungsformen erläutert:The invention is based on two forms of representation explains:
- 11
- maschenbildender Fadenstitch-forming thread
- 22
- Kerncore
- 33
- Filamentfilament
- 44
- Maschenmantelmesh jacket
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