DE3523570C1

DE3523570C1 - Verfahren zum Herstellen einer Faserverbund-Wickelhaut

Info

Publication number: DE3523570C1
Application number: DE19853523570
Authority: DE
Inventors: Franz 8011 Baldham Drachenberg; René 8203 Oberaudorf Meurer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1985-07-02
Filing date: 1985-07-02
Publication date: 1986-06-26
Also published as: FR2584341B1; JPH0749351B2; FR2584341A1; JPS6212581A

Description

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickellaminat mit einer der Fadenorientierung in der Wickelhaut entsprechenden Schnittführung zugeschnitten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaden vor dem Passieren des Fadenauges harzgetränkt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsfaden ein ultrahochmoduler Carbonfaden gewickelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wickellaminat für größere Flächengewichte der Wickelhaut nach einem sich mehrlagig wiederholenden Wickelmuster gewickelt wird.

tan a_v =

sin/?

X + COS./?

tan a_R - tan (/? - a_v) =

_ sin/?

— + cos β

a_v =

Steigungswinkel für das im Vorlauf gewickelte Fadensystem Steigungswinkel für das im Rücklauf gewickelte Fadensystem Kreuzungswinkel der beiden Fadensysteme

Fadendichteverhältnis des im Vorlauf gewickelten zu dem im Rücklauf gewickelten Fadensystem.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher und/oder hoher Anzahl von Vor- und Rückläufen des Fadenauges das Verhältnis von Vorschub- zu Umfangsgeschwindigkeit im Vorlauf zum Vorschub-ZUmfangsgeschwindigkeitsverhältnis im Rücklauf derart gewählt wird, daß

Vy_ Uv

Ur

— + COS β X

X + COS./? '

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Faserverbundwerkstoff-Wickelhaut nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, Faserverbundhäute, z. B. Deckhäute für Faserverbund-Sandwichstrukturen, im Wege eines kontinuierlichen Wickelverfahrens mit Hilfe eines relativ zu einem umlaufenden Wickeldorn hin- und hergehenden Fadenauges herzustellen, durch das der Verstärkungsfaden in einer gleich großen oder sich höchstens um Eins unterscheidenden Vielzahl von Vor- und Rückläufen des Fadenauges auf den Wickeldorn abgelegt wird. Die so gebildete Faserverbundhaut besteht aus zwei, sich kreuzend miteinander verflochtenen Fadensystemen, deren Kreuzungswinkel doppelt so groß wie der beim Wickelvorgang gewählte Steigungswinkel des Verstärkungsfadens ist, und besitzt in Richtung der beiden Fadensysteme gleich hohe Faserverstärkungsanteile, d. h. gleiches Festigkeits- und Steifigkeitsverhalten.

Faserverbundhäute hingegen, die aus mehreren, über Fadenbindungsstellen miteinander verkreuzten Fadensystemen mit jeweils unterschiedlicher Fadendichte aufgebaut sind und dazu benötigt werden, um bei Faserverbundbauteilen mit einer Hauptspannungs- oder -Verformungsrichtung eine lastgerechte, gewichtsoptimale Faserverteilung zu erreichen, müssen mit wesentlich höherem maschinellem und Kostenaufwand her- , gestellt werden, z. B. durch ein Webverfahren als kettverstärkte Faserverbund-Gewebe, wobei hinzukommt, daß solche Gewebe nur in wenigen Flächengewichtsstufen und auch nur in wenigen Kette-Schuß-Verhältnissen verfügbar sind und vor allem spezielle, gerade für eine hochgradige Leichtbauweise benötigte, im unvernetzten Zustand aber bruchgefährdete Fasersorten, also ins-

besondere ultrahochmodule Carbonfasern, zu derartigen Geweben nicht verarbeitet werden können.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundlaminates zu schaffen, mit dem an jedem der unter einem bestimmten Kreuzungswinkel miteinander verflochtenen Fadensysteme des Laminats eine individuell und stufenlos wählbare Fadendichte auf einfache und kostengünstige Weise erzielt und praktisch jede beliebige Fasersorte, vor allem auch die erwähnten Carbonfasern, problemlos verarbeitet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Nach der Erfindung wird durch eine unter Berücksichtigung von Kreuzungswinkel und Fadendichteverhältnis gezielt unterschiedliche Voreinstellung der Steigungswinkel für den Vor- und den Rücklauf im Wege eines kontinuierlichen, faserschonenden Wickelverfahrens mit geringem Maschinen- und Kostenaufwand eine Faserverbund-Wickelhaut erhalten, die in gewichtsoptimaler Weise der Forderung nach einem einseitig höheren Faserverstärkungsanteil in einer der unter einem vorgegebenen Kreuzungswinkel miteinander verflochtenen Fadensysteme genügt. Da bis zum Erreichen der gewünschten Fadendichte zumeist eine große Anzahl von Vor- und Rückläufen des Fadenauges durchgeführt wird, geht deren Verhältnis gegen Eins, selbst wenn das Fadenauge insgesamt den Vorlauf einmal öfter oder weniger oft als den Rücklauf durchquert. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden in diesem Fall die Steigungswinkel für den Vor- und den Rücklauf auf sehr einfache Weise gemäß Anspruch 2 und die Verhältnisse von Vorschubgeschwindigkeit zu Umfangsgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Wickeldorns gemäß Anspruch 3 bestimmt.

Das Wickellaminat wird vorzugsweise auf die im Anspruch 4 angegebene Weise zugeschnitten, wodurch eine Umorientierung der Fadensysteme nach Art einer gemeinsamen Drehung erreicht, also z. B. das Fadensystem mit dem höheren Faserverstärkungsanteil auf die Hauptspannungsrichtung der Wickelhaut ausgerichtet wird. Zwar ist es ohne weiteres möglich, die Fadensysteme des Wickellaminats bzw. der Wickelhaut erst nach Beendigung des Wickelvorgangs mit der Harzmatrix des Faserverbundwerkstoffs zu imprägnieren, im Hinblick auf eine weitere, verfahrenstechnische Vereinfachung wird der Verstärkungsfaden gemäß Anspruch 5 jedoch zweckmäßigerweise vor dem Passieren des Fadenauges harzgetränkt. Ein im Hinblick auf eine extreme Leichtbauweise besonderer Vorteil des Verfahrens wird dadurch erreicht, daß die Wickelhaut gemäß Anspruch 6 aus einem ultrahochmodulen Carbonfaden hergestellt wird. Soll die Wickelhaut für sehr hohe Belastungen ausgelegt und mit einem dementsprechend großen Flächengewicht gefertigt werden, so wird das Wickellaminat gemäß Anspruch 7 vorzugsweise nach einem sich mehrlagig wiederholenden Wickelmuster gewickelt, so daß die Verstärkungsfaden im Laminat nicht nur in dichter Folge nebeneinander-, sondern auch übereinanderliegend angeordnet sind.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. la, b ein nach dem Stand der Technik gewickeltes Faserverbundlaminat und die aus diesem zugeschnittene Wickelhaut;

Fig. 2 eine Wickelvorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens in stark schematisierter Darstellung;

Fig. 3a ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Wickellaminat; und

F i g. 3b, c zwei aus dem Wickellaminat gemäß F i g. 3a unterschiedlich zugeschnittene Faserverbund-Wickelhäute mit jeweils verschiedenartiger Faserorientierung.

Gemäß Fig. la wird zur Herstellung eines Faserverbund-Wickellaminats, das aus zwei unter dem Kreuzungswinkel β miteinander verflochtenen Fadensystemen 2,4 besteht, ein endloser Verstärkungsfaden in einer Vielzahl von abwechselnd aufeinanderfolgenden Vor- und Rücklaufen kontinuierlich mit einem dem halben Kreuzungs winkel β entsprechenden Steigungswinkel α auf einen umlaufenden, zylindrischen Wickeldorn 6 mit endseitigen Polkappen 8, 10 für die Gangrichtungsumkehr des Verstärkungsfadens gewickelt, bis ein gewünschtes Flächengewicht erreicht ist, woraufhin das Wickellaminat mit einer durch die Faserorientierung in der Wickelhaut 12 (Fig. Ib) vorgegebenen Schnittführung zugeschnitten und vom Wickeldorn 6 abgenommen wird. In der so gebildeten Wickelhaut 12 ist das Flächengewicht der Faserverstärkung zu gleichen Teilen auf die Fadensysteme 2 und 4 aufgeteilt, d. h. beide Systeme 2,4 haben die gleiche Faserdichte. Im Beispielsfall ist der Kreuzungswinkel β = 90°, der Steigungswinkel im Vor- und Rücklauf beträgt also 45°, und die Schnittführung A-A, B-B ist so gewählt, daß die Fadensysteme 2,4 in der Wickelhaut 12 eine 90°/0°-Orientierung haben.

Das erfindungsgemäße Wickelverfahren wird anhand der in Fig. 2 gezeigten Wickelvorrichtung erläutert, die in üblicher Weise aus einem kontinuierlich mit der Drehzahl η umlaufenden, zylindrischen Wickeldorn 6 mit den Polkappen 8, 10, einem achsparallel zum Wickeldorn 6 vor- und zurücklaufenden Fadenauge 14 und einer diesem vorgeschalteten Tränkwanne 16 mit einer Tränkrolle 18 besteht, an der der von einer Garnrolle 20 abgezogene Verstärkungsfaden 22, etwa ein ultrahochmoduler Carbonfaden, mit der Harzmatrix des Faserverbundwerkstoffs getränkt wird, bevor er mit gleichmäßiger Zugspannung auf dem Wickeldorn 6 abgelegt wird.

Wiederum wird der Wickeldorn 6 in einer Vielzahl von abwechselnd aufeinanderfolgenden Vor- und Rückläufen des Fadenauges 14 solange bewickelt, bis das aus den beiden unter dem Kreuzungswinkel β miteinander verflochtenen Fadensystemen 2, 4 gebildete Wickellaminat ein vorgegebenes Faser-Flächengewicht erreicht. Gleichzeitig wird jedoch dieses Flächengewicht auch in vorgegebener Weise unterschiedlich auf die beiden Fadensysteme 2,4 aufgeteilt, d. h. jedes Fadensystem 2, 4 erhält eine individuell vorgegebene Fadendichte. Zu diesem Zweck werden der Steigungswinkel a_v für das im Vorlauf gewickelte Fadensystem 2 und der den Steigungswinkel ay zum Kreuzungswinkel β ergänzende Steigungswinkel a_R für das im Rücklauf gewickelte Fadensystem 4 derart bestimmt, daß

tan a_v =

ύηβ

und tan a_R

nx . „
— + cos β m

sin/?

— + cosjß
nx

5

wobei so hohen Faserverstärkungsanteil eine 0°-Orientierung

besitzt.

χ = gefordertes Fadendichteverhältnis des im Vor-

lauf gewickelten Fadensystems 2 zu dem im Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Rücklauf gewickelten Fadensystem 4, 5 =

m = Anzahl der Vorläufe des Fadenauges 14, η = Anzahl der Rückläufe des Fadenauges 14.

Da m = η oder \m - n\ = 1 und m, η > 0, gilt

10

sin/?

tanav = ——

x+cosj?

15

sin/?
tan a_R = ^—

— + cos β

γ

und da tan a = —,

Vv.VR_x^+C0Sß

Hy ' Hr X + COS./? '

Vy, R = Vorschubgeschwindigkeit des Faden-

auges 14 im Vor- bzw. Rücklauf, U und n_KR = Umfangsgeschwindigkeit und Vor- bzw. Rücklaufdrehzahl des Wickeldorns 6.

Für den Kreuzungswinkel β = 90° ergibt sich als weitere Vereinfachung

tan a_v = — χ

40

tan α« =x,
sowie

1

x²

Soll, wie gezeigt, der Faserverstärkungsanteil des Fadensystems 2 doppelt so hoch wie der des Fadensystems 4, also χ=2 bei/? = 90° sein, so muß a_v auf 26,565° und a_R (=ß - a_r) auf 63,435° eingestellt und bei konstanter Drehzahl des zylindrischen Wickeldorns 6 die Vorschubgeschwindigkeit des Fadenauges 14 im Rücklauf jeweils viermal so groß wie im Vorlauf gewählt werden.

Das auf diese Weise bis zum gewünschten Flächengewicht der Faserverstärkung gewickelte Wickellaminat (Fig. 3a) wird dann entsprechend der gewünschten Faserorientierung zur Wickelhaut 12 zugeschnitten, eo wobei sich bei der Schnittführung A-A und B-B gemäß F i g. 3a in der Wickelhaut 12 eine Faserorientierung von ±45° für die beiden Fadensysteme 2 und 4 ergibt (Fig. 3b), während bei einer zur Fadenrichtung der Fadensysteme 2,4 parallelen bzw. senkrechten Schnittführung die in Fig. 3c gezeigte Wickelhaut 12 entsteht, bei der das Fadensystem 4 mit der geringeren Fadendichte eine 90°- und das Fadensystem 2 mit dem doppelt

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer vorimprägnierten Faserverbundwerkstoff-Wickelhaut aus mindestens einer Faserlage, die aus einem ersten Fadensystem aus unidirektional in einer Richtung verlaufenden Verstärkungsfaden und wenigstens einem mit dem ersten Fadensystem in kreuzender Anordnung verflochtenen, zweiten Fadensystem aus unidirektional in einer zweiten Richtung verlaufenden Verstärkungsfaden besteht, bei dem mindestens ein Endlosfaden kontinuierlich in einer Vielzahl von abwechselnd aufeinanderfolgenden Vor- und Rückläufen eines Fadenauges auf einen relativ zum Fadenauge umlaufenden Wickeldorn mit einem durch das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit des Wickeldorns zu Vorschubgeschwindigkeit des Fadenauges bestimmten Steigungswinkel gewickelt und das so gebildete Wickellaminat im ungehärteten Zustand vom Wickeldorn abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fadensysteme dadurch mit unterschiedlicher Fadendichte gewickelt werden, daß der Steigungswinkel des oder der Endlosfäden bei jeder Riehtungsumkehr des Fadenauges geändert und für den Vorlauf in Abhängigkeit von Kreuzungswinkel und gewünschtem Fadendichteverhältnis der beiden Fadensysteme festgelegt und für den Rücklauf auf einen demgegenüber entsprechend dem Kreuzungswinkel abweichenden Wert eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher und/oder hoher Anzahl von Vor- und Rückläufen des Fadenauges die Steigungswinkel für den Vor- und den Rücklauf derart gewählt werden, daß

Vv, R =
Uy R =

>V,R

Vorschubgeschwindigkeit des Fadenauges im Vor- bzw. Rücklauf Umfangsgeschwindigkeit des Wickeldorns im Vor- bzw. Rücklauf Kreuzungswinkel der beiden Fadensysteme und