DE4121458A1

DE4121458A1 - Mehrschichtige, mehrfach orientierte fasermaterialien von variabler zusammensetzung zur verwendung als verstaerkungsstrukturen zur herstellung von balken, profilbauteilen und rahmen

Info

Publication number: DE4121458A1
Application number: DE4121458A
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Asociacion de Investigacion de la Industria Textil AITEX
Current assignee: Asociacion de Investigacion de la Industria Textil AITEX
Priority date: 1991-03-04
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1992-09-10
Also published as: GB2253811A; ES2031764A6; ITRM910375A1; IT1250054B; FR2673573A1; ITRM910375A0; ITRM910490A1; GB9111325D0; ITRM910490A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Strukturen, die aus Fasern zur Verstärkung von Verbundstoffmaterialien hergestellt werden, in Form von mehrschichtigen, mehrfach gerichteten Geweben von variabler Zusammensetzung zur Verwendung in der Herstellung von Balken, Profilbauteilen und Rahmen, vor allem in den Automobil- und/oder Transportindustrien. Aber die Erfindung kann auch zur Herstellung von strukturellen Bauteilen im Tief- und/oder Maschinenbau anwendbar sein.

Verbundstoffmaterialien, gebildet durch Kombination von verstärkenden Fasern und/oder Geweben mit einer Polymermatrix von thermoplastischem oder thermo stabilem Typ, werden üblicherweise durch Verfahren, die das Beschichten beinhal ten, hergestellt unter Verwendung von Kunststoffen mit mehrfachen Schichten eines Gewebes, das durch eine Kette und einen Schuß gebildet wird, wobei die Fasern des Gewebes in orthogonalen Richtungen (0°/90°) angeordnet sind. Im Falle von Bestandteilen, die beträchtlichen Belastungen in anderen Richtungen als diesen or thogonalen Richtungen ausgesetzt sind, ist es gebräuchlich, die Schichtstruktur zu bilden, indem herkömmliche Gewebe so orientiert und geschnitten werden, daß sie in den anderen Richtungen, in welchen außergewöhnliche Belastungen ausgeübt werden, liegen.

Dieses Schicht-auf-Schicht-Laminierungsverfahren, das zusätzliche Schritte des Schneidens und der Orientierung der Gewebe beinhaltet, ist schwierig durchzufüh ren und arbeitsaufwendig, und führt folglich zu niedriger Produktivität, und das Verfahren wird extrem schwer durchzuführen, wenn es zusätzlich notwendig ist, Fasern unterschiedlicher Zusammensetzungen in verschiedenen Richtungen zu kombinieren, um den Konstruktions- und Betriebskriterien nachzukommen, die wegen der Komponenten, die aus den zusammengesetzten, beschichteten Materia lien hergestellt sind, notwendig sind.

Diese Schwierigkeiten sind offensichtlich, z. B. bei der Konstruktion der Fahr gestelle und Rahmen von Automobilen und/oder Leicht- oder Schwertransport mitteln, die von Stützbalken und Querträgern in Form von Balken, die eine Vielfalt von verschieden profilierten Abschnitten von umfangreicher Dicke besitzen, oder in Form von einzelnen Rahmenstrukturen, die aus Verbundstoffmaterialien hergestellt werden, umfaßt werden. In diesem Fall sind die Strukturen extrem kompliziert, da die betreffenden Teile hohen mechanischen Belastungen infolge von Kompression, Ziehen in viele verschiedene Richtungen, Vibrationen, etc. ausgesetzt sind, was eine Anforderung ist an eine Struktur, die aus Geweben mit Fasern, die in mehreren Richtungen, z. B. 0°/90°/+45°/-45° bezüglich der Längsachse (0°) des Fahrzeugs, orientiert sind, besteht. Es kann auch eine zusätzliche Forderung für Hybridsysteme bestehen, die aus Fasern und/oder Kombinationen von Fasern, die verschiedene mechanische Eigenschaften in verschiedene Richtungen oder bei verschiedenen Winkeln besitzen, hergestellt sind. Diese zusätzliche Schwierigkeit führt gewöhnlich zu einer bedeutsamen Zunahme der Produktionskosten, was eine Produktion von mechanischen Bauteilen in großem Maßstab unzweckmäßig er scheinen läßt, obwohl letztere technisch durchführbar und wünschenswert ist, um eine beträchtliche Abnahme des Gewichts der in Frage kommenden Systeme zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung liefert einen sehr wichtigen Beitrag zu komplexen Beschichtungsverfahren, die in der Herstellung von mechanisch hoch beanspruchten Teilen wie Balken, Stützbalken, Querträgern oder flachen Bauteilen für Motorfahr zeugfahrgestelle verwendet werden, stellt eine Lösung zu technisch komplexen Problemen zur Verfügung, und ermöglicht eine beträchtliche Herabsetzung der Produktionskosten aufgrund der Tatsache, daß Automation möglich ist.

Nach der Erfindung wird ein System von mehrschichtigen Fasern, die bevorzugte Orientierungen haben, gemäß den Anforderungen, die durch einfache oder mehr fache mechanische Beanspruchung auferlegt sind, zur Verfügung gestellt durch die Zusammensetzung der Fasern in jeder der Schichten, die miteinander durch eine Kettenbindung bzw. Kettennadelung zur Formung des Systems verbunden sind, dessen Dimensionen mit denjenigen der Balken; Querträger, Stützbalken oder Profilbauteile, die die in Betracht kommende Konstruktion bilden, übereinstimmen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, in welchen:

Abb. 1 ein mehrschichtiges Gewebe zeigt, das durch bindende Fäden zu sammengehalten wird;

Abb. 2 und 3 veranschaulichen aufeinanderfolgende Schritte bei der Her stellung eines kanalförmigen Stützbalkens oder Balkens; und

Abb. 4 zeigt ein Bauteil, das verwendet werden kann als Stützbalken, Balken oder Querträger oder als komplette Anordnung in Form eines Rahmens für Fahrgestelle in Antriebsanordnungen von Motorfahrzeugen und/oder lastentragenden Bauteilen von Schwer- oder Leichttransportmitteln.

Zur Veranschaulichung und als eines von vielen Beispielen, ohne in irgendeiner Weise den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung für mehrschichtige, mehrwinklige Systeme, von einheitlicher oder variabler Zusammensetzung, in Abhängigkeit vom Bereich oder der Richtung der mechanischen Beanspruchungen in besagten Anwendungen zu begrenzen, ist die Erfindung durch die folgenden Merkmale definiert:

In einem mehrschichtigen verstärkten Fasersystem ist eine Schicht von Fasern definiert als auf 0° ausgerichtet, wobei diese Orientierung entlang der Längsachse der Komponente vorliegt, wie nachstehend beschrieben werden wird; eine andere Schicht aus Verstärkungsfasern ist in einem Winkel von 90° zur ersten Schicht (bei 0°) ausgerichtet; eine andere Schicht aus Verstärkungsfasern ist in einem Winkel im Bereich von +20° bis 70° (z. B. +45°) bezüglich 0° ausgerichtet, und eine andere Schicht aus Verstärkungsfasern ist in einem Winkel im Bereich von -20° bis -70° (z. B. -45°) bezüglich 0° ausgerichtet, wobei die Schichten mittels bindender Fäden (HL) zusammengehalten werden, die durch die Kettennadelung bzw. Ketten verknüpfungsmethode (z. B. Kettensystem) in einem einzigen Arbeitsvorgang angewendet werden, um ein einzelnes, mehrschichtiges Fasermaterial (0°/90°/+45°/-45°) (Abb. 1) zu erzeugen, dessen Zusammensetzung folgendermaßen definiert ist:

In der 0°-Richtung wird ein Streifen aus multifilen Glasfäden zwischen zwei seitlichen Bereichen aus multifilen Fäden aus Kohlenstoffasern angeordnet oder es erfolgt eine abwechselnde Anordnung mit den Glasstreifen (Abb. 1); die genannten Kohlenstoffaserstreifen haben die notwendige Breite und Dicke, um mit den Bereichen, in denen größere Zugfestigkeiten und Elastizitätsbiegemodule notwendig sind, übereinzustimmen.

Richtung 90°:
Glasfaser-Multifilamentfäden (Abb. 1).

Richtung +45°:
Glasfaser-Multifilamentfäden (Abb. 1).

Richtung -45°:
Glasfaser-Multifilamentfäden (Abb. 1).

Die Dimensionen der Anordnung, und vor allem diejenigen der Kohlenstoffasern enthaltenden Streifen, die in der Entwicklung von Stützbalken oder kanalförmigen Balken eingesetzt werden, sind in den Abb. 2 und 3 gezeigt, wobei die Dimensionen der Seiten- und Endwände des Balkens keine einschränkenden Bedingungen für das System darstellen.

Diese Grundeinheit eines mehrschichtigen, mehrwinkligen Fasermaterials, 0,80 mm dick, wird mit einer Kunststoffmatrix auf Epoxidharzbasis imprägniert, das durch Walzen in einem kontinuierlichen automatischen oder manuellen Verfahren aufge tragen wird und aus 52 Teilen Diglycidyl-Bisphenol A, 45 Teilen 5-Norbornen-2,3- dicarbonsäure-anhydrid und 2 Teilen 2-(Dimethylaminomethyl)-phenol besteht, wobei die relativen Gewichtsverhältnisse von Fasern und Harz 66% bzw. 34% betragen. Diese mehrschichtige Struktur wird anschließend auf einer Form aufgebaut oder entwickelt, um einen kontinuierlichen Rahmen zu erzeugen, der eine Dicke von etwa 20 mm besitzt. Während sich die Struktur auf der Form befindet und kom primiert wird (unter Verwendung eines Vakuums oder einer hydraulischen Presse), unterzieht man sie einem Heizzyklus, der folgende Temperaturmerkmale hat;

1 Stunde bei 90°C
3 Stunden bei 120°C
3 Stunden bei 160°C

um eine Komponente oder Komponenten zu erzeugen, die anschließend als Stütz balken, Balken, Querträger oder als eine komplette rahmenförmige Einheit für ein Fahrgestell (Abb. 4) verwendet werden können, z. B. in Kraftfahrzeugzugan ordnungen und/oder lastentragenden Bauteilen für Schwer- oder Leichttransport mittel, wobei die 0°-Richtung, die die Kohlenstoffaserstreifen enthält, in eine Linie mit der Längsrichtung der Fahrgestelle oder der Stützbalken gebracht wird, wobei letztere der größten mechanischen Beanspruchung unterworfen sind, und wobei die Fasern in den anderen Richtungen eine ergänzende Verstärkung bewirken, um den Beanspruchungen durch Schub- und Drehmoment etc. gerecht zu werden. Das Ver fahren ist automatisiert und bietet den besonderen Vorteil, daß die Kohlenstoffaser in der erforderlichen Richtung, Position und Quantität eingelagert werden kann, um den beträchtlichen mechanischen Beanspruchungen, denen die Komponente unter worfen ist, gerecht zu werden.

Im Gegensatz hierzu kann eine Komponente mit ähnlichen mechanischen Merkma len aus Standard-Fasermateralien hergestellt werden durch Verweben von Glasfa sern in Kett- und Schußrichtung (d. h. 0°- und 90°-Richtung) zur Belastung in diesen Richtungen. Der Forderung, Schubspannungen in der 45°-Richtung auf zunehmen, kann nachgekommen werden, indem man aus dem gleichen (0°/90°) Fasermaterial Flicken schneiden und die Flicken unter entsprechender Ausrichtung des Fasermaterials aufbringt, wobei eine Automation dieses Verfahrens unmöglich ist, und durch Verarbeitung von längsverstärkenden Kohlenstoffasern, indem in einer einzigen Richtung ausgerichtete Fäden zwischen aufeinanderfolgenden Schich ten des Materials eingebracht werden. Das gesamte Verfahren muß manuell ausge führt werden und dauert 5mal länger als das Verfahren der Erfindung; dement sprechend machen die Kosten und die Produktivität das Verfahren für eine Mas senproduktion in den Automobil-, Transport-, etc., -industrien unrentabel.

Claims

1. Verbundstoff mit Verstärkungsfaserstruktur, gebildet aus mehreren Schichten, die in drei oder mehr verschiedenen Richtungen angeordnet sind und als kom paktes System zusammengehalten werden durch eine kleine Kette verbindender Fäden, die die gleiche oder eine verschiedene Zusammensetzung haben, aufgebracht werden unter Anwendung der Kettennadelung, wobei die Struktur in der Konstruktion von Bauteilen im Tief- und/oder Maschinenbau angewandt wird, und insbesondere bei der Konstruktion von Fahrzeug- und/oder Trans portfahrgestellen, wobei die Verstärkungsfaserstruktur durch Imprägnierung unter Verwendung eines thermoplastischen oder wärmehärtbaren Matrixmateri als erhalten worden ist, dessen Verarbeitung und Härtung die Verwendung einer Komponente in dem genannten Anwendungsgebiet erlaubt, wobei das für die Verstärkungsfasern verwendete Material aus Glas, Kohlenstoff, Polyaramid oder anderen Materialien mit ähnlichen Eigenschaften besteht.

2. Verbundstoff nach Anspruch 1, wobei die Fasern oder Fäden folgendermaßen ausgerichtet sind: Eine Schicht bei einer definierten Orientierung von 0°; eine andere Schicht, die einen Winkel von 90° relativ zur definierten Orientierung einschließt; eine Schicht, die einen Winkel im Bereich von 20° bis 70° relativ zur definierten Orientierung einschließt, und eine andere Schicht, die einen Winkel im Bereich von -20° bis -70° relativ zur definierten Orientierung einschließt, wobei die Struktur in Automobil- und Transportfahrgestellen und Balken im Tiefbau Anwendung findet.

3. Verbundstoff nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Fasern oder Fäden bevorzugt in folgenden Orientierungen ausgerichtet sind: Eine Schicht mit einer definierten Orientierung von 0°; eine andere Schicht mit einem Winkel von 90° relativ zur definierten Orientierung, eine Schicht mit einem Winkel von +45° zur definierten Orientierung, und eine Schicht bei einem Winkel von -45° zur definierten Orientierung.

4. Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der 0°-Richtung Glas- und Kohlenstoffasern in Streifen zusammengehalten sind, die von varia bler Breite sind und/oder abwechselnd angeordnet sind, und wobei in den anderen Richtungen die Schichten bevorzugt Glasfasern umfassen, wobei die genannte 0°-Richtung mit der Längenabmessung eines Balkens oder Fahrgestells zur allgemeinen Verwendung im Tief- oder Maschinenbau zusammenfällt.

5. Verbundstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, imprägnierbar mit einem synthetischen, thermoplastischen oder wärmehärtbaren Kunststoffharz, erhalten durch Anwendung von Druck und Temperatur im Anschluß an die Entwicklung in einer Form in Form von Bauteilen, Balken, Fahrgestellen und allgemeinen Bauteilen für den Tief- und Maschinenbau.

6. Verbundstoff nach Anspruch 1 mit Ausrichtungen, die definiert sind als 0°, +45° und -45°, wobei die 0°-Richtung mit der Längsrichtung der mehrschichti gen Struktur zusammenfällt, und die Glas- und Kohlenstoffasern oder -fäden miteinander in Streifen verbindet, die von variabler Breite sind und/oder ab wechselnd angeordnet sind, und die alle die gleiche Orientierung haben, wobei die Fasern oder Fäden in den anderer zwei Richtungen Glasfasern sind.

7. Verbundstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, zur Verwendung in der Herstellung von Verbundstoffmaterialien für Bauelemente für Automobil- und/oder Transportfahrgestelle.