DE4218860A1

DE4218860A1 - Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformvermögen

Info

Publication number: DE4218860A1
Application number: DE4218860A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schreiber; Siegfrid Dr Ploch; Heinz Dr Zschunke; Gunter Dr Siebdraht
Original assignee: CHEMNITZ TEXTILTECH FORSCH
Current assignee: Saechsisches Textilforschungsinstitut STFI eV
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1993-12-16

Description

Die Erfindung wird zur Herstellung von Flächengebilden benutzt, die als textile Einlage in Fadenverbundwerkstoffen mit Kunststoff- Matrix verwendet werden. Solche Einlagen müssen oft tiefgezogen und geforderten Formen angepaßt werden. Dafür muß das Flächenge bilde entsprechende Eigenschaften aufweisen, die die Verformbar keit nicht behindern, sondern im Gegenteil hohe Verformungsgrade zulassen.

Das Tiefziehen/Streckziehen bzw. Verformen von Flächengebilden ist im Prinzip bekannt. Verwendet werden sowohl Gewebe, als auch Gewirke, Folien o.a.

Die Umformbarkeit der textilen Flächengebilde beruht auf

- der Dehnungsmöglichkeit der Flächengebilde;
- der Fadenstreckung bzw. -dehnung;
- dem Fadenschlupf zwischen den Bindungselementen;
- den Dehnungseigenschaften des Fasermaterials.

Die Dehnungsmöglichkeiten der Flächengebilde sind unterschiedlich und werden von den inneren Strukturen bestimmt. Gewebe, bei denen Schuß- und Kettfäden rechtwinklig miteinander verkreuzt sind, sind danach am schwierigsten umzuformen, da die Faden- bzw. Fa sereigenschaften bereits unmittelbar nach Beginn des Verformungs prozesses beansprucht werden. Daraus resultiert, daß nur relativ geringe Umformungen möglich sind, die durch Konstruktionselemente wie Bindung, Faden- und Faserauswahl nur geringfügig beeinflußt werden können.

In der Praxis bedeutet das, daß die textilen Einlagen bei faser verstärkten Kunststoffen mit großem Aufwand aus einzelnen Teilen zusammengesetzt werden müssen. Dabei ergeben sich insofern Unre gelmäßigkeiten, als die tragenden Fadenstrukturen zu trennen und zu überlappen sind.

Folien und ähnliche Materialien verhalten sich ähnlich dem Gewebe.

Bei Gewirken sind in den Maschen größere Fadenreserven als bei Geweben enthalten. Diese Flächengebilde sind demzufolge auch besser umformbar als Gewebe. In den meisten Fällen reichen aber auch diese Fadenreserven nicht aus, so daß kurz nach Beginn des Umformprozesses die Faden- bzw. Faserdehnung überbeansprucht wird.

Aus den Strukturen und Konstruktionen der Flächengebilde resultiert, daß große Umformwege mit den zur Zeit zur Verfügung stehenden Flächengebilden nicht realisiert werden können. Es ist weiterhin festzustellen, daß durch die Umformungen Verdünnungen an den verzogenen Stellen auftreten, die eine Schwächung der Ein lage bedeuten. Darüberhinaus werden durch die Umformung die Lage der Fäden, die das Flächengebilde darstellen, unkontrolliert so verändert, daß sie nicht exakt in der Beanspruchungsrichtung an geordnet sind.

Auch sind Einrichtungen bekannt geworden, die ein Legen der Fäden in die Hauptbeanspruchungslinien zulassen. Solche Flächengebilde werden ebenfalls zur Verstärkung benötigt. Sie sind in den meisten Fällen nicht für Umformungen vorgesehen. Sollen sie doch umgeformt werden, unterliegen sie den gleichen Einschränkungen, wie sie o. bereits dargelegt wurden.

Ziel der Erfindung ist die Herstellung umformbarer Flächengebil de, bei denen ein vorherbestimmbares und berechenbares Umformver mögen eingearbeitet wird und die umgeformten Erzeugnisse vorher bestimmbare Eigenschaften aufweisen. Eine Verdünnung der Flächen gebilde an den Umformpunkten wird vermieden, so daß die resul tierenden Eigenschaften vorherbestimmt und realisiert werden kön nen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, zur Flächenbildung Mate rialien zu verwenden, die eine hohe Umformbarkeit der Flächenge bilde zulassen und fördern und daß nach dem Umformen die tragen den Fäden so im Erzeugnis angeordnet sind, daß keine Schädigungen an den tragenden Fäden eintreten. Diese Materialien sind vorher zuberechnen und anzufertigen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Konstruktionen mit hoher in nerer Fadenreserve verarbeitet werden, denen gezielt die für die Umformung benötigte zusätzliche Fadenlänge verliehen wird. Da durch wird es ermöglicht, auch hohe Verformungsgrade zu erreichen, bei denen die tragenden Fäden oder Fasern gestreckt im fertigen Erzeugnis angeordnet sind und keine Materialschädigungen (Rißbil dungen) durch die Umformung eintreten.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Vorschlags sind zwei grundsätzliche Wege möglich:

1. Möglichkeit

Durch Verwendung von Fadenkonstruktionen, die eine höhere innere Fadenlänge besitzen, als im Flächengebilde benötigt wird, und

2. Möglichkeit

Die benötigte höhere, innere Fadenlänge durch schlaufenartige Fa denlegungen bei der Bildung von Mustern, Motiven usw. in das Flä chengebilde eingebracht wird.

Die gemäß der ersten Möglichkeit angesprochenen Fadenkonstruktio nen mit einer erhöhten inneren Fadenlänge bestehen z. B. aus zwei Komponenten.

Die eine Komponente (Bindefaden) dient dazu, die höhere Fadenlän ge im Fadengebilde zu fixieren und muß so ausgewählt werden, daß sie beim Umformprozeß die gespeicherte Fadenlänge z. B. durch Ein wirkung

- mechanischer Energie allein (Zerbersten/Zersprengen dieser Kom ponente beim Umformprozeß) oder durch
- mechanische und thermische Energie (Plastifizieren/Schmelzen dieser Komponente) freigibt.

Diese Komponente (Bindefaden) kann günstigerweise aus einem Mate rial gewählt werden, welches eine gute Verbindung mit der Kunst stoff-Matrix eingeht, in die die textile Konstruktion anschließend

- z. B. zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffe - einge bettet wird. Dies geschieht durch entsprechende Materialauswahl, Wahl entsprechender Schlichten als Haftvermittler zur Kunststoff- Matrix oder, wie bei Einsatz thermoplastischer Matrixmaterialien möglich, durch Verwendung von thermoplastischen Bindefäden auf der Polymer-Basis, die auch der Kunststoff-Matrix zugrundeliegt.

Die andere Komponente (Leistungsfaden), die die höhere Fadenlänge beinhaltet, soll im verformten Zustand die Kräfte aufnehmen und nach der Verformung gestreckt im Formstück vorliegen. Diese Kom ponente kann aus allen Faserstoffen, besonders aber aus Hochlei stungsfasern wie Kohlenstoff-, Glas- oder anderen Fasern bestehen. Auch der Einsatz von Hybridgarnen (Verstärkungsfaser - thermopla stischer Anteil) ist möglich. Als Leistungsfäden können Vorgarne oder Lunten, endlose Filamente oder Spinnfaserfäden verwendet werden. Als Leistungsfäden können Fäden aus einheitlichem Mate rial, aber auch Mischungen (Hybridgarne) aus verschiedenen Mate rialien, z. B. Glas und Kohlenstoff, homogen gemischt oder ge schichtet eingesetzt werden.

Es können auch gleichzeitig fadenähnliche Konstruktionen ver schiedener Konfigurationen und/oder verschiedener Materialien und Materialzusammensetzung verwendet werden.

Die Form der fadenähnlichen Konstruktionen wird durch eine mecha nische Verfestigung oder durch Kleben, Schweißen usw. fixiert.

Diese Fadenkonstruktionen können nach den bekannten Flächenbil dungsverfahren Weben, Wirken usw. oder als verbundene oder nicht verbundene Fadenlagen verarbeitet werden.

Bei der zweiten Möglichkeit werden Hochleistungsfasern schlaufen förmig oder nach anderen Mustern in ein vorzugsweise aus Maschen geformten Flächengebilde eingebunden. Im Verformungsprozeß werden die Maschen zerstört und die Schlaufen der Hochleistungsfasern gestreckt.

Im Bedarfsfall kann die 1. und 2. Möglichkeit der Realisierung der höheren Fadenlänge miteinander kombiniert angewendet werden, woraus eine extrem hohe Streckungsreserve resultiert. Die Gesamt streckung ergibt sich dann als Summe der Teilstreckungen aus - Streckung der schlaufenförmig abgelegten Fadenkonstruktionen - und - Streckung der in den Fadenkonstruktionen schlaufenförmig eingearbeiteten Hochleistungsfasern -.

Die Schlaufen können dabei zweidimensional (eben) oder dreidimen sional (räumlich) angeordnet sein.

Beide Möglichkeiten gestatten es, die Länge der benötigten Fäden zu berechnen und durch Gestaltung der Schlaufen oder der Motive dem tatsächlichen Bedarf im Formstück anzupassen. Bei der Umfor mung werden die Schlaufen gestreckt, bzw. die Motive aufgelöst, so daß die tragenden Fäden gestreckt im Formstück angeordnet sind.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläu tert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 verschiedene Möglichkeiten zur Schaffung der erforderli chen Fadenreserve gemäß Möglichkeit 1;

Fig. 2 die mustermäßige Anordnung von fadenähnlichen Gebilden mit Fadenreserve gemäß Möglichkeit 2;

Fig. 3 die mustermäßige Anordnung von fadenähnlichen Gebilden mit Fadenreserve gemäß Kombination der Möglichkeiten 1 und 2;

Fig. 4 die rechtwinklige Anordnung von fadenähnlichen Gebilden mit Fadenreserve, vor der Umformung;

Fig. 5 Anordnung der fadenähnlichen Gebilde mit Fadenreserve, nach der Umformung;

Fig. 6 eine becherförmige Umformung.

In Fig. 1 sind verschiedene Möglichkeiten zur Schaffung der Fa denreserve in einem fadenähnlichen Gebilde zusammengefaßt. Die Gebilde bestehen aus dem Bindematerial 1; 2, das die schlaufen förmige Lage der Leistungsfäden 3 bis zur Umformung fixiert. In Fig. 1a ist der Leistungsfaden 3 zwischen zwei Bindefäden 1; 2 waagerecht, in Fig. 1b schräg gelegt und fixiert. In der Fig. 1c ist der Leistungsfaden in Art einer W-Bindung in Fig. 1d in der Art einer Doppel-W-Bindung eingearbeitet. Fig. 1e demonstriert die Verwendung von zwei Leistungsfäden 3; 4, wenn eine höhere Ge samtfestigkeit nach der Umformung benötigt wird und Fig. 1f zeigt das fadenähnliche Gebilde aus einem Bindefaden 1 und einem Lei stungsfaden 3. Denkbar sind darüber hinaus weitere Strukturen, auch unter Verwendung von drei oder mehr Bindefäden oder auch drei oder mehr Leistungsfäden. Diese fadenähnlichen Konstruktio nen 5 können verwebt, verwirkt usw. werden.

Außerdem können die fadenähnlichen Konstruktionen 5 (z. B. Fig. 1a-f), in denen die Leistungsfäden 3, 4 schlaufenförmig fixiert sind, wiederum schlaufenförmig im Flächengebilde, z. B. Gewirke, mittels maschenbildender Bindefäden 6 eingebunden sein (Fig. 2). Sie können aber auch beanspruchungsgerecht nach anderen Motiven gemäß Fig. 3 angeordnet werden.

Fig. 4 zeigt ein Flächengebilde, bei dem die fadenähnlichen Kon struktionen 5 (hier nur prinzipiell durch die Leistungsfäden 3 dargestellt) vor der Umformung rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Die fadenähnlichen Konstruktionen sind senkrecht 5′ und waagerecht 5′′ in Form von Fadenscharen angeordnet. Die Fadenscha ren können sich dabei gewebeartig durchdringen oder nur aufeinan dergelegt und durch spezielle Bindefäden, Schweiß- oder Klebe punkte oder andere Verfahren miteinander verbunden sein.

In Fig. 5 ist das Flächengebilde der Fig. 4 umgeformt. Es ist gut zu erkennen, daß auf der Deckfläche des Kreuzes die längsorien tierten fadenähnlichen Konstruktionen 5′ und die querorientierten fadenähnlichen Konstruktionen 5′′ ihre Lage während der Umformung unverändert beibehalten haben. In den abgeklappten Flächen 7, 8, 9 wurden die Leistungsfäden aus den fadenförmigen Konstruktionen 5′ in die Strecklage gebracht, der Bindefaden 1 (hier nicht darge stellt) ist mit der Kunststoff-Matrix 10 verbunden. Die quer orientierten fadenähnlichen Konstruktionen 5′′ sind in den Flächen 7, 8, 9 unverändert enthalten. Evtl. hat sich die Entfernung die ser Elemente voneinander vergrößert.

Die querorientierten fadenähnlichen Konstruktionen 5′′ wurden in den abgeklappten Flächen 11, 12, 13 umgeformt und die in ihnen enthaltenen Leistungsfäden gestreckt. Dort sind die längsorien tierten fadenähnlichen Konstruktionen 5′ unverändert enthalten und haben evtl. den Abstand zueinander etwas vergrößert.

Aus Fig. 6 ist die Streckung der Leistungsfäden aus den längs- und den querorientierten fadenähnlichen Konstruktionen 5′, 5′′ gut zu erkennen. Da aus der Kenntnis der Umformungstiefe T die Länge errechnet werden kann, die die dafür zur Verfügung stehenden Schlaufen speichern müssen, kann das zu verformende Flächengebil de vorher den Bedingungen entsprechend konstruiert werden.

Damit werden die bei den bekannten Verfahren auftretenden Mängel beseitigt.

Durch die Verformung tritt an den beanspruchten Stellen keine Verdünnung und keine Schädigung (Rißbildung) ein und die Lage der tragenden Leistungsfäden kann vorher bestimmt werden.

Die fadenähnlichen Gebilde enthalten soviel Streckungsrereserve für die tragenden Fäden wie benötigt wird, so daß nach der Streckung (Auflösung der Schlaufenform) die tragenden Fäden gestreckt im Erzeugnis liegen, ohne daß eine Schädigung eingetreten ist. Im Gegenteil, die tragenden Fäden sind exakt plaziert und durch die gestreckte Anordnung voll belastbar.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Bindefaden
2 Bindefaden
6 Bindefaden
3 Leistungsfäden
4 Leistungsfäden
5 Fadenkonstruktion mit hoher innerer Fadenlänge
5′ Fadenkonstruktion mit hoher innerer Fadenlänge
5′′ Fadenkonstruktion mit hoher innerer Fadenlänge
7 abgeklappte Flächen
8 abgeklappte Flächen
9 abgeklappte Flächen
10 Kunststoff-Matrix
11 abgeklappte Flächen
12 abgeklappte Flächen
13 abgeklappte Flächen

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen, gekennzeichnet dadurch, daß als Fadenmaterial oder fadenähnliches Material Konstruktionen mit hoher innerer Fadenreserve verwendet werden.

2. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die innere Fadenreserve der fadenähnlichen Konstruktionen durch in Schlaufen oder Schlingen o. ä. gelegte Leistungsfäden erzielt wird.

3. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Leistungsfäden Fäden aus Hochleistungsfaserstoffen wie Glas, Kohlenstoff usw. oder anderem Fasermaterial verwendet werden.

4. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Form der fadenähnlichen Konstruktionen durch mechanische Ver festigung, Kleben, Schweißen usw. fixiert wird.

5. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die fadenähnlichen Konstruktionen zu Geweben, Gewirken oder auf einanderliegenden, miteinander verbundenen oder nicht verbundenen Fadenlagen, Schichten usw. kombiniert werden.

6. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Bindefäden die Polymer-Basis der Kunststoff-Matrix enthalten oder gute Affinität zur verwendeten Kunststoff-Matrix besitzen.

7. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Leistungsfäden Vorgarne, Lunten oder dgl. verwendet werden.

8. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Leistungsfäden endlose Filamente oder Spinnfaserfäden verwen det werden.

9. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Leistungsfäden Mischungen (Hybridgarne) aus verschiedenen Ma terialien, z. B. Glas und Kohlenstoff, homogen gemischt oder ge schichtet verwendet werden.

10. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß gleichzeitig verschiedenartige aus gleichen oder unterschiedli chen Materialien aufgebaute Flächengebilde verwendet werden.

11. Verfahren zur Herstellung von Flächengebilden mit hohem Umformungsvermögen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß gleichzeitig fadenähnliche Konstruktionen verschiedener Konfigu rationen und/oder verschiedener Materialien und Materialzusammen setzung verwendet werden.