DE3620611C2 - Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler, fasriger Schichtkörper und hierfür geeignete Fasermaterialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen drei­ dimensionaler, fasriger Schichtkörper nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Er­ findung Fasermaterialien zur Durchführung eines solchen Verfahrens (Patentansprüche 5 bis 10).

Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, die Herstellung dreidimen­ sionaler Verstärkungsstrukturen, die zur Verwirklichung von Stücken aus zusammengesetztem Material dienen, und zwar durch Verdichtung der Verstärkungsstrukturen, insbe­ sondere zur Herstellung von Bremsscheiben, zusammenge­ setzten Dachziegeln, usw.

Aus DE 30 03 081 C2 ist ein mehrschichtiges, genadeltes, filzartiges Polstermaterial und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Dabei werden abwechselnd übereinan­ derliegende Träger- und Faserlagen, die insgesamt jedoch eine relativ dünne Schicht bilden, miteinander vernadelt, ohne daß dabei z. B. über die Eindringtiefe der Nadeln im einzelnen etwas ausgesagt wird. Aus der US 1,529,701 ist ebenfalls ein Verfahren bekannt, bei dem mehrere, zu einer Rolle aufgewickelten Faserschichten miteinander vernadelt werden, wobei auch dort über die Durchführung des Verfahrens, insbesondere mit Bezug auf die Eindring­ tiefe der Nadeln, keine näheren Angaben gemacht sind.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung ebener Aufbauten durch Vernadelung übereinanderliegender Schich­ ten aus Fasermaterial ist im französischen Gebrauchsmu­ ster 21 96 966 beschrieben. Nach diesem bekannten Verfah­ ren werden ebene, gleichgerichtete Lagen unter Verkreu­ zung aufeinandergelegt und anschließend vernadelt. Obwohl in der angegebenen Literaturstelle mit Bezug auf die An­ zahl der übereinandergelegten Schichten keine Begrenzung angegeben ist, findet sich dort keine Angabe über die Mittel, die dazu dienen könnten, einen dichten Aufbau zu realisieren, der durch die gesamte Struktur hindurch ho­ mogene Kennzeichen aufweist.

In der französischen Patentschrift 24 14 574 ist ein Ver­ fahren zur Herstellung einer fasrigen Verstärkung für Bremsscheiben beschrieben, wobei Filzringe durch Vernadeln gebildet werden, die Ringe bis zur Erreichung einer gewünschten Dicke aufeinander gestapelt werden und der Stapel hinsichtlich der Verdichtung aufrechterhalten wird. Es ist angegeben, daß die Gesamtheit der gestapel­ ten Ringe vernadelt werden kann, ohne daß dabei jedoch die Arbeitsweise beschrieben ist.

In den beiden zuletzt erwähnten Dokumenten wie auch in der US 3,772,115 sind in der Tat Vernadelungstechniken für kleine Dicken beschrieben. Es erweist sich jedoch, daß diese Techniken also solche auf die Herstellung großer Dicken nicht übertragbar sind. Ein Grund hierfür liegt darin, daß ausgehend von einer bestimmten Eindrin­ gung in die übereinandergelegten Lagen die Nadeln ihre Aggressivität aufgrund eines Verschließens ihrer Widerha­ ken durch Faserstücke verlieren, die aus bereits durch­ drungenen Materiallagen herausgerissen werden; die Nadeln können daher ihre Funktion nicht mehr richtig erfüllen und machen die Erreichung der gleichen Vernadelungseigen­ schaften über die gesamte Dicke des Stapels hinweg unmög­ lich.

Nun ist es aber für Materialien, die dazu bestimmt sind, sehr harten thermomechanischen Bedingungen unterworfen zu werden, wesentlich, daß sie ihre konstanten Eigenschaften in ihrer ganzen Masse beibehalten, um so beispielsweise ein Aufblättern zu vermeiden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfah­ ren zur Herstellung eines Schichtkörpers aus Fasermaterial so auszubilden, daß ein in sich im wesentlichen homo­ gener und gleichmäßig verfestigter Schichtkörper ent­ steht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeich­ nungsteil des Patentanspruchs 1 stehenden Merkmale ge­ löst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 niederge­ legt. Für die Durchführung des Verfahrens geeignete Fa­ sermaterialien sind Gegenstand der Patentansprüche 5 bis 10.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsfor­ men der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche, schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Vernadeln eines Schichtaufbaus und

Fig. 2 bis 4 schematische Schnittansichten verschiede­ ner Vernadelungsstadien eines Schichtauf­ baus.

Auf eine horizontale Platte 10 werden Streifen 20 aus Fa­ sermaterial einer nach dem anderen zugeführt. Die Breite und Länge der Streifen hängt von den Abmessungen des her­ zustellenden Aufbaus ab. Die Streifen 20 werden einer auf dem anderen gestapelt und untereinander durch Vernadelung mit Hilfe eines Nadelbretts 12 miteinander verbunden. Das Brett 12 liegt über der Platte 10 und erstreckt sich par­ allel zu einer der Seiten der Platte 10 und über eine Länge, die im wesentlichen gleich derjenigen dieser Seite ist, wobei die Nadeln 13 vertikal nach unten gerichtet sind.

Das Nadelbrett 12 ist fest mit einer (nicht dargestell­ ten) Mitnahmevorrichtung verbunden, die in an sich be­ kannter Weise den Nadeln eine abwechselnde Auf- und Abbe­ wegung verleiht.

Das Nadelbrett 12 und der Stapel aus den Streifen 20 sind relativ zueinander in horizontaler und vertikaler Rich­ tung beweglich. Horizontal ist die Platte 10 beispiels­ weise mit Bezug auf einen Trägertisch 14 beweglich, senk­ recht zum Nadelbrett 12 hingegen unter der Einwirkung ei­ nes (nicht dargestellten) Mitnahmemittels, welches auf dem Tisch 14 befestigt ist. In vertikaler Richtung ist die gegenseitige Verschiebung der Platte 10 und des Na­ delbretts 12 beispielsweise dadurch realisiert, daß der Tisch 14 mittels einer Schnecke oder einer anderen An­ kupplungsvorrichtung von einem (nicht dargestellten) Mo­ tor mitgenommen wird, der am Trägergestell des Nadel­ bretts 12 befestigt ist.

Die Herstellung eines Aufbaus spielt sich folgendermaßen ab:
Ein erster Materialstreifen 20 wird auf die Platte 10 aufge­ legt, auf diesen wird ein zweiter Streifen 20 gelegt und mit dem ersten vernadelt, wobei das Nadelbrett 12 permanent vertikal auf- und abbewegt wird, während die Platte 10 über eine Länge hinweg verschoben wird, die wenigstens gleich der Länge der Streifen 20 ist, so daß diese über ihre gesamte Länge hinweg unter dem Nadelbrett 12 vorbei­ geführt werden. Sobald die Platte 10 an das eine Ende ih­ res Laufweges angekommen ist, wird ein neuer Streifen 20 auf die bereits vorhandenen Streifen 20 gelegt, anschließend wird der Tisch 14 über eine Strecke hinweg abgesenkt, die der Dicke e eines vernadelten Streifens entspricht, bevor anschließend ein neuer Vernadelungsdurchgang stattfindet, im Verlauf dessen die Platte 10 bis zum anderen Ende ih­ res Laufweges verschoben wird. Man fährt auf diese Weise fort, indem man die Platte 10 an jedem Ende ihres hori­ zontalen Verschiebeweges mit neuen Streifen 20 versieht, bis die gewünschte Höhe des Aufbaus erreicht ist.

Bei jedem Eindringen der Nadeln 13 nehmen deren Widerhaken Fasern aus dem Material der durchquerten Streifen 20 mit, wobei diese Fasern vertikale Verbindungen zwischen den aufeinandergelegten Streifen 20 vermitteln.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Nadeln 13 jeweils in ihrer obe­ ren und unteren Stellung. Die Nadeln 13 dringen in das Tex­ tilmaterial bis zu einer Tiefe ein, die der Dicke mehre­ rer vernadelter Streifen 20, beispielsweise acht Strei­ fen, entspricht. Die Vernadelungstiefe wird während des ganzen Arbeitsvorgangs konstant gehalten, und zwar auf­ grund der progressiven Absenkung des Aufbaus bezüglich der Nadeln 13. Um die ersten Streifen 20 auf der Platte 10 ver­ nadeln zu können, ist es erforderlich, Mittel vorzusehen, die verhindern, daß die Nadeln 13 an der harten Oberflä­ che der Platte 10 anschlagen. Zu diesem Zwecke ist die Platte 10 mit einer Verkleidung 11 bedeckt, in welche die Nadeln 13 endringen können, ohne beschädigt zu werden und ohne Teilchen oder Fasern in das Innere des herzustellen­ den Aufbaues mitzunehmen.

Die Verkleidung 11 kann beispielsweise aus einem Blatt 11a aus einem verstärkten Elastomer bestehen (beispiels­ weise "Hypalon", verstärkt mit einem Nylon-Gewebe), das auf der Platte 10 befestigt ist, und auf welches eine Schicht 11b aufgeklebt ist, die aus einem Basisfilz (bei­ spielsweise Polypropylenfilz) gebildet ist mit einer Dicke, die ausreichend ist, um zu gewährleisten, daß die Na­ deln 13 bei ihrem ersten Vernadelungsdurchgang über die vor­ gesehene Vernadelungstiefe hinweg eindringen können, ohne die Platte 10 zu berühren. Auf den Basisfilz ist ein wei­ teres Blatt 11c aufgeklebt, beispielsweise aus Polyvinyl­ chlorid. Im Verlauf der Vernadelung wird das Blatt 11c von den Nadeln 13 durchquert, verhindert jedoch, daß zu vie­ le Fasern, die aus dem Material der Streifen 20 stammen, sich im Basisfilz verhaken und das Abheben der fertigge­ stellten Struktur komplizieren.

Bei einer anderen Ausführungsform ist es möglich, die Platte 10 horizontal unbeweglich zu halten und das Nadel­ brett 12 zu verschieben oder die Vernadelung auf einer perforierten Platte 10 zu vollziehen, wobei die Perfora­ tionen den Nadeln 13 Nadelbrett 12 entsprechen. In diesem Falle ist es nicht erforderlich, die Platte mit einer Verkleidung 11 zu versehen. In diesem Falle wird die Platte 10 mit Bezug auf das Nadelbrett 12 in horizontaler Richtung unbeweglich gehalten, und man verschiebt den Streifenstapel horizontal auf der Platte 10 bei jedem Vernadelungsdurchgang.

Um eine konstante Vernadelungsdichte über die gesamte Dicke der Struktur hinweg zu erreichen, ist es erforder­ lich, nach dem Aufbringen und der Vernadelung des letzten Streifens 20 Vernadelungs-Endbearbeitungsdurchgänge auszu­ führen. Man geht dabei so vor, als wenn neue Streifen 20 aufgebracht würden. Aufgrund der Tatsache, daß die Nadeln 13 in diesem Falle eine bestimmte Strecke in der Luft durch­ queren, bevor sie den Streifenaufbau erreichen und an das Ende ihrer Abwärtsbewegung gelangen (Fig. 4), werden ihre Widerhaken weniger verstopft, als wenn sie über die glei­ che Entfernung d hinweg durch das Fasermaterial hindurch verlaufen müßten. Die Nadeln weisen daher im Verlauf der Endbearbeitungsdurchgänge eine wachsende Aggressivität oder Wirksamkeit auf. Um aber eine dichtere Vernadelung in den oberen Schichten zu vermeiden, ist die Anzahl der realisierten Endbearbeitungsdurchgänge (beispielsweise vier) kleiner als diejenige bei voller Eindringtiefe der Nadeln (acht Durchgänge).

Der aus Fasermaterial bestehende Streifen kann unter­ schiedliche Formen aufweisen, was insbesondere von der beabsichtigten Anwendung abhängt.

So kann das Fasermaterial wenigstens teilweise aus einer Schicht aus diskontinuierlichen Fasern bestehen, die durch Kardierung (Kardenflor) erhalten wird. Das Material kann auch in Form einer Lage aus kontinuierlichen Fasern vorliegen, die dadurch erhalten wird, daß man gleichge­ richtete Vliese aus kontinuierlichen Tows oder Fäden kreuzt oder die Vliese mit schwacher Dichte untereinander vorvernadelt. Im letzteren Fall kann das Kreuzen, wie an sich bei der Vliesherstellung bekannt, ausgeführt werden; das eine der gleichgerichteten Vliese aus Tows oder Fäden wird kontinuierlich zugeführt, während ein anderes gleichgerichtetes Vlies aus Tows oder Fäden hin- und her­ gehend in Richtung senkrecht zur Verschiebung des ersten Vlieses auf dieses gelegt wird. Aufgrund der Relativver­ schiebung zwischen den gleichgerichteten (unidirektionel­ len) Vliesen erhält man drei übereinanderliegende Vliese, die zwischen sich von 90° verschiedene Winkel, beispiels­ weise etwa 60°, einschließen.

Wenn eine höhere mechanische Widerstandsfähigkeit des Aufbaus verlangt wird, insbesondere in Abhängigkeit von gewünschten Eigenschaften des herzustellenden, zusammen­ gesetzten Endproduktes, besteht das Fasermaterial aus we­ nigstens einer gewebten Lage, beispielsweise:

• - einem Komplex, der aus einem Gewebe aus kontinuierli­ chen oder diskontinuierlichen Fäden (Satin oder Leinen) besteht, auf den mit geringer Vernadelungsdichte ein Vlies aus diskontinuierlichen Fasern aufgenadelt ist, welches durch Kardierung (Kardenflor) erhalten wurde; man kann auch ein Vlies aus kontinuierlichen Fasern aufna­ deln, wobei diese Vliese auf das Gewebe durch Vliesbil­ dung aufgebracht werden;
• - ein einziges Gewebe, welches in Kette und Schuß aus Fä­ den besteht, die ihrerseits aus kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Filamenten gebildet sind, oder
• - ein einziges Gewebe, welches in der Kette aus Fäden aus kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Filamenten und im Schuß aus einem Vorgespinst besteht.

Die Fasern, welche die oben beschriebenen Materialien bilden, können insgesamt natürliche oder künstliche, or­ ganische oder mineralische Fasern sein, in unbehandeltem Zustand oder thermisch behandelt, wobei die Wahl der Fa­ serart von der beabsichtigten Anwendung abhängt. Wenn es sich um die Verwirklichung von Verstärkungsaufbauten für Verbundmaterialien handelt, die dazu bestimmt sind, be­ trächtlichen thermomechanischen Beanspruchungen unterwor­ fen zu werden, sind die interessantesten Fasern Kohlen­ stoffasern und keramische Fasern (Aluminiumoxid, Silizi­ umkarbid, . . . ) sowie Vorläufer dieser Fasern oder alle Fasern, welche einen Zwischenstoff zwischen den Vorläu­ ferfasern und den endgültig thermisch behandelten Fasern darstellen.

Nachdem der dreidimensionale Aufbau vollständig oder teilweise ausgehend von Vorläuferfasern oder Zwischen­ stoffasern hergestellt ist, erfährt er schließlich die thermische Behandlung, die dazu führt, den Fasern die op­ timalen mechanischen Eigenschaften zu verleihen.

Bei Verwendung von Vorläuferfasern ist es möglich, die Fasern bei der Vernadelung nicht zu zerbrechen, da die thermisch behandelten Fasern zu hohe Moduln und zu schwa­ che Querwiderstandsfähigkeiten haben, um ohne Beschädi­ gung vernadelt werden zu können, wie dies bei Kohlen­ stoff- und keramischen Fasern der Fall ist. Daher können die oben beschriebenen Materialien wenigstens teilweise aus Vorläufern von Kohlenstoff- oder keramischen Fasern bestehen, wobei ein eventueller Rest der Fasern aus Koh­ lenstoff oder Keramik sein kann.

So kann beispielsweise das für die Vernadelung bestimmte Fasermaterial aus einem Komplex bestehen, der seinerseits aus einem Gewebe aus hoch widerstandsfähigen Kohlen­ stoffasern gebildet ist, die mit einem stabilisierten Kardenflor auf Polyacrylnitrilfasern, einem Vorläufer von Kohlenstoff, vernadelt sind. In diesem Komplex bringt das Gewebe die gewünschte mechanische Widerstandsfähigkeit, während das Faservlies eine nicht zerstörend wirkende Vernadelung der übereinanderliegenden Streifen ermög­ licht, denn die Widerhaken der Nadeln, die sich mit sta­ bilisiertem Polyacrylnitril bedecken, beschädigen die Kohlenstoffaser nicht schwerwiegend. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wird das Gewebe so leicht als möglich gewählt, wobei man die gewünschten mechanischen Eigen­ schaften in Rechnung zu stellen hat, beispielsweise mit einer Flächenmasse zwischen 100 und 600 g/m².

Im voranstehenden Ausführungsbeispiel könnte man auch un­ abhängig die Fasern und/oder deren Vorläufer aus Kohlen­ stoff durch Fasern und/oder deren Vorläufer aus Keramik ersetzen. Umgekehrt kann ein Fasergewebe aus Kohlenstoff- oder Keramikvorläufern mit einem Kardenflor kombiniert werden, der aus Kohlenstoff- oder Keramikfasern besteht.

In der gleichen Weise können auch Kohlenstoff- und Kera­ mikfasern und Fasern aus Vorläufern von Kohlenstoff und Keramik kombiniert werden, wobei diese Fasern unabhängig voneinander die Kette und den Schuß des Gewebes bilden können. Die Kette kann beispielsweise aus Fäden aus kon­ tinuierlichen oder diskontinuierlichen Filamenten und der Schuß aus einem Vorgespinst (Lunte) oder aus Fäden aus kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Filamenten be­ stehen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler, fasriger Schichtkörper, bei dem ebene Schichten aus Fasermate­ rial auf einer Unterlage nacheinander übereinanderge­ legt und durch auf- und abbewegte, in die Schichten eindringende Nadeln vernadelt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Eindringtiefe der Nadeln in die Schichten kon­ stant gehalten wird;
der Abstand zwischen der die Schichten tragenden Un­ terlage und den Nadeln nach jedem Vernadelungsvorgang im wesentlichen um die Dicke einer bereits vernadel­ ten Schicht vergrößert wird;
diese Abstandsvergrößerung auch nach dem Aufbringen einer letzten Schicht vorgenommen wird, so daß die Nadeln nicht mehr voll in den Schichtkörper eindrin­ gen; und
nach dem Aufbringen der letzten Schicht unter ständi­ ger Abstandsvergrößerung Vernadelungsdurchgänge so lange ausgeführt werden, bis die Vernadelungsdichte auch in den zuoberst liegenden Schichten im wesentli­ chen die gleiche wie in den darunterliegenden Schich­ ten ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Vernadelungsdurchgänge nach dem Aufbringen der letzten Schicht kleiner als diejenige bei Ausnutzung der vollen Eindringtiefe der Nadeln ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberfläche der die Schichten tra­ genden Unterlage mit einer Verkleidung überdeckt wird, in welche die Nadeln bei Vernadelung der er­ sten, auf der Unterlage aufliegenden Schicht ohne Be­ schädigung eindringen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleidung durch eine Lage abgedeckt wird, die verhindert, daß zu viele der den ersten aufeinan­ der liegenden Schichten durch die Nadeln entnommenen Fasern in die Verkleidung hineingezogen werden.

5. Fasermaterial zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens teilweise aus gleichgerichteten, gekreuzten und miteinander vorvernadelten Vliesen be­ steht.

6. Fasermaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vliese unter Bildung von Winkeln von etwa 60° ge­ kreuzt sind.

7. Fasermaterial zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens eine gewebte Schicht umfaßt.

8. Fasermaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens teilweise aus einem Gewebe aus kontinu­ ierlichen oder diskontinuierlichen Fäden besteht, auf welches ein Kardenflor aufgenadelt ist.

9. Fasermaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens teilweise aus einem Gewebe besteht, dessen Kette von kontinuierlichen oder diskontinuier­ lichen Fäden und dessen Schuß von einer Spinnlunte gebildet sind.

10. Fasermaterial nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es Fasern aus Kohlenstoff oder Keramik oder Vorläufern dieser Stoffe umfaßt.