DE4121458A1 - Mehrschichtige, mehrfach orientierte fasermaterialien von variabler zusammensetzung zur verwendung als verstaerkungsstrukturen zur herstellung von balken, profilbauteilen und rahmen - Google Patents
Mehrschichtige, mehrfach orientierte fasermaterialien von variabler zusammensetzung zur verwendung als verstaerkungsstrukturen zur herstellung von balken, profilbauteilen und rahmenInfo
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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).
Glasfaser-Multifilamentfäden (Abb. 1).
Richtung +45°:
Glasfaser-Multifilamentfäden (Abb. 1).
Glasfaser-Multifilamentfäden (Abb. 1).
Richtung -45°:
Glasfaser-Multifilamentfäden (Abb. 1).
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
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 (7)
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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: TREVINO MARTINEZ, JOSE L. GINER SEGUI, JOSE FRANCISCO RICO NAVARRO, CONCEPCION, ALCOY, ES TABERNER MOLINERO, MANUEL, ONTENIENTE, ES |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |