DE68928158T2 - Verfahren zur Herstellen eines formbaren Verbundwerkstoffes - Google Patents
Verfahren zur Herstellen eines formbaren VerbundwerkstoffesInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen formbarer Verbundwerkstoffe, z.B. zum Herstellen von verstärkten (armierten) Kunststoff- und sonstigen Gegenständen.
- Bekannt ist die Herstellung formbarer Verbundwerkstoffe in Form sog. "Prepegs", bestehend aus einer Matte aus Glasfasergewebe oder -vlies oder sonstigem Verstärkungsmaterial, das mit einem Kunstharz-Matrixmaterial imprägniert ist. Diese bekannten formbaren Verbundwerkstoffe sind mit den Nachteilen behaftet, daß die Verteilung der Fasern in einer Vliesmatte willkürlich ist und nicht gesteuert oder kontrolliert werden kann, so daß die Festigkeitseigenschaften eines daraus geformten Gegenstands unvorherbestimmbar sein können, daß in Gewebematten die Schuß- und Kettfäden an den einander schneidenden Stellen gekräuselt sind, wodurch ihre Festigkeit verringert ist, und daß sie eine begrenzte Lagerbeständigkeit oder Gebrauchsfähigkeit besitzen.
- Die EP-A-33 244 offenbart ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines kontinuierlichen Verfahrens zum Herstellen eines formbaren Verbundwerkstoffs, bei dem das Verstärkungsmaterial multiaxial bzw. mehrachsig ist und in Anpassung an spezielle Anwendungszwecke "maßgeschneidert" werden kann und das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine unbegrenzte Lagerbeständigkeit besitzt.
- Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines formbaren Verbundwerkstoffs, wie es im Anspruch 1 angegeben ist.
- Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
- Vorzugsweise sind die Schichten oder Lagen durch Wirken durch sie hindurch (mit Fadenabbindungen) vernäht bzw. vernadelt, und die Garne oder Fäden in jeder der Schichten werden durch die Fadenabbindungen in fester Beziehung zueinander gehalten.
- Das Matrixmaterial kann ein Kunststoff, z.B. ein thermoplastisches oder wärmehärtendes Harz, oder ein Metall, eine Keramik oder ein sonstiger Werkstoff sein, der sich während der anschließenden Formung des Verbundwerkstoffs, z.B. unter Wärme und Druck, zur Bildung einer Matrix um das Verstärkungsmaterial herum verdichtet.
- Eine Folie, ein Film, ein Bandstreifen oder Gewebe (tissue) aus gewebtem oder nichtgewebtem Material, z.B. ein Schaumstoff oder ein Polyester- oder sonstiger wärmehärtender Kunststoff, kann zwischen zwei oder mehr der Schichten eingefügt und/oder auf mindestens eine Außenfläche des Verstärkungsmaterials aufgetragen und in die Schichten eingenadelt oder eingebunden (stitched) werden, um dem Verbundwerkstoff die erforderlichen Eigenschaften zu verleihen.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Matrixmaterial mindestens ein(e) Film, Folie, Band, Streifen oder Gewebe aus thermoplastischem Material, welches Material zwischen mindestens zwei der Schichten eingefügt und/oder auf eine oder beide Außenfläche(n) der übereinandergelegten Schichten aufgetragen und in die Schichten eingebunden bzw. mit ihnen vernadelt (stitched in with) ist oder wird. Vorteilhaft ist der Film, die Folie, das Band, der Streifen oder das Gewebe aus thermoplastischem Material zwischen jede der aneinander angrenzenden Schichten des Verstärkungsmaterials eingefügt. Ein solcher Verbundwerkstoff kann eine unbegrenzte Lagerbeständigkeit aufweisen, ist einfach zu lagern und zu handhaben und auch einfach zu verwenden, weil der Verbundwerkstoff lediglich einer Erwärmung vor dem Formen bedarf, um das thermoplastische Material zu erweichen und ein Fließen zum Benetzen des Verstärkungsmaterials vor dem oder beim Formen des Verbundwerkstoffs zu erlauben. Zudem wird mit dem nach dieser Ausführungsform hergestellten Verbundwerkstoff eine gleichmäßige Verteilung des thermoplastischen Matrixmaterials durch das gesamte Verstärkungsmaterial hindurch sichergestellt.
- Gemäß einer anderen Ausführungsform wird das Verstärkungsmaterial durch z.B. Besprühen vor dem Fadenabbinden oder Vernadeln (stitching) mit Kunstharz-Matrixmaterial, z.B. einem thermoplastischen oder wärmehärtenden Harzmaterial, imprägniert. Auf diese Weise können formbare Verbundwerkstoffe hergestellt werden, die den Vorteil bieten, daß die Orientierung der Garne oder Fäden im Verstärkungsmaterial bekannt ist, die Garne oder Fäden ohne Kräuselungen darin gerade verlaufen und daß dementsprechend die Festigkeitseigenschaften eines aus dem Verbundwerkstoff geformten Gegenstands optimal und vorherbestimmbar sind.
- Gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Überzug aus Kunstharz-Matrixmaterial, z.B. einem wärmehärtenden Harzmaterial, vor dem Vernadeln auf eine oder beide Außenfläche(n) des Verstärkungsmaterials aufgebracht. Der Überzug kann klebrig sein und entweder vor oder nach dem Vernadeln mit einem Trennpapier bedeckt werden, bis der Verbundwerkstoff verwendet werden soll, zu welchem Zeitpunkt das Trennpapier entfernt werden kann.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung weisen die Garne oder Fäden des Verstärkungsmaterials in mindestens einigen der Schichten das Matrixmaterial darin eingearbeitet oder darin verteilt auf. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Garne oder Fäden des Verstärkungsmaterials dazwischen verteilte Garne oder Fäden aus thermoplastischem Harzmaterial auf. In einer anderen Ausführungsform sind zumindest einige der Garne oder Fäden des Verstärkungsmaterials mit einem Matrixmaterial beschichtet oder imprägniert, z.B. mit einem Matrixmaterial in Pulverform beschichtet oder imprägniert, das durch eine(n) Außenüberzug oder -hülle aus z.B. thermoplastischem Material an Ort und Stelle gehalten wird. Das Pulver-Matrixmaterial kann ein thermoplastisches oder wärmehärtendes Harzmaterial oder ein Keramik- oder Metallwerkstoff sein. Beispielsweise können das Verstärkungsmaterial aus Kohlenstoffaser und das Pulver-Matrixmaterial aus Kohlenstoff bestehen, um einen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundkörper zu bilden. Hiermit wird wiederum ein Verbundwerkstoff bereitgestellt, der einfach zu handhaben ist, eine unbegrenzte Lagerbeständigkeit aufweisen kann und einfach zu benutzen oder zu verwenden ist.
- Der vorliegend und in den Ansprüchen benutzte Ausdruck "Garne oder Fäden" bedeutet Garne, Fäden, Monofilamente, Vorgarne, Werg o.dgl. aus fortlaufenden oder unterbrochenen Fasern, wie sie herkömmlicherweise verwendet werden.
- Diese Garne oder Fäden des Verstärkungsmaterials sind vorzugsweise aus Glas, d.h. Glasfasern, obgleich sie gewünschtenfalls auch aus anderen geeigneten Verstärkungsmaterialien bestehen können, wie Kohlenstoffaser, Aramidfaser, Keramikfaser, Polyethylenfaser, Polyesterfaser, Metall oder Gemischen davon.
- Die Garne oder Fäden in mindestens zwei der Schichten (Lagen) verlaufen vorzugsweise unter 90º zueinander. Vorteilhaft verlaufen die Garne oder Fäden in mindestens einer weiteren Schicht unter einem Winkel von 45 - 90º zu den Garnen oder Fäden in mindestens einer der mindestens zwei Schichten. Die Schichten können mithin z.B. mindestens eine Schicht, in welcher die Garne oder Fäden in einer ersten Richtung verlaufen, eine Schicht, in welcher die Garne oder Fäden in einer zweiten Richtung unter 90º zur ersten Richtung verlaufen, eine Schicht, in welcher die Garne oder Fäden in einer dritten Richtung unter 45º zur ersten Richtung verlaufen, und eine Schicht umfassen, in welcher die Garne oder Fäden in einer vierten Richtung unter 45º zur ersten Richtung und unter 90º zur dritten Richtung verlaufen. Ein solcher Werkstoff kann isotrop sein.
- In mindestens einer der Schichten (Lagen) können die Garne oder Fäden mit verschiedenen Dichten in verschiede nen Teilen der Schicht gelegt sein, um in verschiedenen Teilen des Verbundwerkstoffs unterschiedliche Festigkeitseigenschaften vorzusehen. Auf diese Weise kann der Verbundwerkstoff in Anpassung an spezielle Erfordernisse "maßgeschneidert" werden.
- Das (der) beim Vernadeln (stitching) verwendete Garn oder Faden kann ausgebildet (engineered) oder ausgewählt sein, um es zu unterstützen, dem Verbundwerkstoff die erforderlichen Eigenschaften oder Charakteristika, z.B. gewünschte mechanische oder elektrische Eigenschaften, zu verleihen. Beispielsweise kann das Garn oder der Faden ein thermoplastisches Material sein, das beim Formen des Verbundwerkstoffs z.B. unter Wärme und Druck zu einem Teil der Matrix wird.
- Verschiedene Schichten des Verstärkungsmaterials und/oder das Matrixmaterial in oder zwischen verschiedenen Schichten des Verstärkungsmaterials können unterschiedliche Eigenschaften, z.B. unterschiedliche mechanische, physikalische oder elektrische Eigenschaften, wie unterschiedliche mechanische Festigkeiten oder unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten und/oder elektrische Widerstandswerte und/oder dielektrische Eigenschaften, besitzen, um einen "Hybrid"-Verbundwerkstoff mit erforderlichen oder vorgesehenen Eigenschaften bereitzustellen.
- Gewünschtenfalls können zusätzlich Stücke oder "Flecke" des Verstärkungsmaterials vor dem Vernadeln zwischen zwei oder mehr der Schichten eingebracht werden, um an ausgewählten Stellen im Verbundwerkstoff zusätzliche Verstärkung oder Dicke vorzusehen und es damit zu ermöglichen, den Verbundwerkstoff in Anpassung an seinen Endverwendungszweck weiter "maßzuschneidern".
- Die vorliegende Erfindung ist im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und
- Fig. 2 einen in stark vergrößertem Maßstab gehaltenen Querschnitt durch ein(en) bei einer anderen Ausführungsform verwendetes (verwendeten) Garn oder Faden.
- Aus Fig. 1 der Zeichnungen geht hervor, daß im dargestellten Verfahren ein Verstärkungsmaterial 9 mit einer Anzahl von übereinandergelegten Schichten oder Lagen 1 - 6 hergestellt wird. Jede der Schichten 1 - 6 umfaßt eine Vielzahl einseitig gerichteter, nichtgewebter Garne oder Fäden 10, wobei die Garne oder Fäden 10 in mindestens einigen der verschiedenen Schichten - wie dargestellt - in verschiedenen Richtungen verlaufen. Wie gezeigt, verlaufen dabei die Garne oder Fäden 10 in der Schicht 1 in der Langsrichtung des Verstärkungsmaterials; die Garne oder Fäden 10 in der Schicht 2 verlaufen unter einem rechten Winkel zu den Garnen oder Fäden 10 in der Schicht 1; die Garne oder Fäden 10 in der Schicht 3 verlaufen unter 45º zu den Garnen oder Fäden in den Schichten 1 und 2 usw., wie veranschaulicht. Ersichtlicherweise ist die dargestellte Ausführungsform lediglich zur Verdeutlichung gewählt, und das Verstärkungsmaterial kann jede erforderliche Zahl von Schichten aufweisen, wobei die Garne oder Fäden in den verschiedenen Schichten auf erforderliche Weise orientiert sind. Zwischen mindestens zwei der Schichten 1- 6 und vorzugsweise zwischen jede der benachbarten Schichten 1 - 6 ist ein(e) Film oder Folie aus thermoplastischem Material 8 eingefügt. Zusätzlich ist ein(e) Film oder Folie aus thermoplastischem Material 7 auf eine oder beide Außenfläche(n) des Verstärkungsmaterials 9 aufgebracht. Die Schichten 1 - 6 des Verstärkungsmaterials 9, zusammen mit den Filmen oder Folien aus thermoplastischem Material 7, 8, werden durch Wirken (knitting) durch sie hindurch, wie bei 11 gezeigt, miteinander vernäht bzw. vernadelt (stitched), um Fadenabbindungen 12 zu formen. Die Fadenabbindung ist derart, daß die Garne oder Fäden 10 in jeder der Schichten 1 - 6 in fester Lage zueinander gehalten werden.
- Garne oder Fäden 13 aus thermoplastischem Material können in einer oder mehreren der Schichten 1 - 6, wie bei 14 gezeigt, zwischen den Garnen oder Fäden 10 verteilt oder mit diesen vermischt werden, um entweder zusätzliches thermoplastisches Material im Verbundwerkstoff vorzusehen oder um das thermoplastische Folien- oder Filmmaterial 7 und/oder 8 zu ersetzen.
- Gewünschtenfalls können vor dem Vernadeln Stücke oder Flecke 15 aus Verstärkungsmaterial zwischen beliebige der benachbarten Schichten 1 - 6 eingesetzt werden, um an erforderlichen Stellen im fertiggestellten Verbundwerkstoff zusätzliche Versteifung oder Dicke einer erforderlichen Größe und Form vorzusehen.
- Da die Garne oder Fäden 10 in der verschiedenen Schichten 1 - 6 mehrachsig (multi-axial) sind bzw. verlaufen und die Garne oder Fäden 10 in den verschiedenen Schichten durch die (Vernadel-)Fadenabbindung 12 fest (zusammen)gehalten sind, kann der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbundwerkstoff ohne Kräuselung und Faltenbildung in komplexe Formen verformt werden.
- Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform umfassen mindestens einige der Garne oder Fäden 10 und/oder der Garne oder Fäden 13 einen Kern aus Verstärkungsgarn oder -faden 16, eine Schicht eines Matrixmaterials 17 um das Garn oder den Faden 16 herum und eine(n) Hülle oder Überzug 18 um die Schicht des Matrixmaterials 17 herum. Der Kern 16 kann ein Verstärkungsgarn oder -faden aus Glas-, Aramid-, Kohlenstoff- oder Keramikfaser, Metall, Polyesterfaser, Polyethylenfaser oder einem sonstigen Verstärkungsmaterial oder Gemischen aus zwei oder mehr dieser Materialien sein. Das Matrixmaterial 17 kann in Pulverform oder einer sonstigen geeigneten Form vorliegen und aus einem thermoplastischen oder wärmehärtenden Harzmaterial, einer Keramik, Kohlenstoff, Metall oder einem sonstigen geeigneten, eine Matrix formenden Werkstoff bestehen, Die (der) Hülle oder überzug 18 kann aus einem thermoplastischen oder sonstigen geeigneten Material bestehen. Mit dieser Ausführungsform können Verbundwerkstoffe verschiedenartig unterschiedlicher Kombinationen von Verstärkungs und Matrixmaterialien hergestellt werden, etwa solche aus Glasfaser/wärmehärtendem Harz oder Kohlenstoff/Kohlenstoff. Garne oder Fäden 10 gemäß dieser Ausführungsform können anstelle der oder in Verbindung mit den Filme(n) oder Folien 7 und/oder 8 und/oder Garne(n) oder Fäden 13 eingesetzt werden.
Claims (20)
1. Verfahren zum Herstellen eines formbaren
Verbundwerkstoffes mit einem Verstärkungsmaterial (9) mit
mehreren übereinander gelagerten Schichten (1-6), wobei
jede Schicht (1-6) aus einer Mehrzahl unidirektionaler
nichtgewebter bzw. nichtgewirkter Garne oder Fäden bzw.
Zwirne (10) bestehen, die nebeneinander gelegt sind,
wobei die Garne oder Fäden bzw. Zwirne (10) in mindestens
einigen der unterschiedlichen Schichten in
unterschiedlichen Richtungen verlaufen und wobei in oder
bei dem Verstärkungsmaterial ein Matrix- oder
Einbettungsmaterial (7, 8, 13) beinhaltet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial hergestellt
wird durch Auslegen der mehreren Garne oder Fäden bzw.
Zwirne (10) einer Schicht nebeneinander, wobei jede
nachfolgende Schicht der vorausgehenden Schicht
überlagert wird, und durch Zusammennähen der Schichten
der Garne oder Fäden bzw. Zwirne nach Einlagerung bzw.
Einbau des Matrixmaterials (7, 8, 13) zum Halten der Garne
oder Fäden bzw. Zwirne in festgelegter Beziehung
zueinander und wobei das Verfahren derart ausgestaltet
ist, daß die Eigenschaften der Schichten des
Verstärkungsmaterials und des Matrixmaterials in oder
zwischen unterschiedlichen Schichten des
Verstärkungsmaterials und das bzw. der beim Vernähen
verwendete Garn oder Faden bzw. Zwirn ausgewählt und
mindestens eine der Schichten der Garne oder Fäden bzw.
Zwirne in unterschiedlichen Bereichen der Schicht in
unterschiedlichen Dichten ausgelegt werden, um dadurch
einen formbaren Verbundwerkstoff mit den gewünschten
Eigenschaften herzustellen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die
Schichten (1-6) mittels Hindurchstricken oder -wirken
zus ammengenäht werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das
Matrixmaterial (7, 8, 13) ein thermoplastisches oder
wärmehärtbares Harzmaterial oder ein Metall oder ein
keramisches Material ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei eine Schicht bzw. ein Bogen, ein Film,
ein Gewebe, ein Band oder ein Streifen eines gewebten
bzw. gewirkten oder eines nichtgewebten bzw.
nichtgewirkten Materials zwischen mindestens zwei der
Schichten zwischengefügt und/oder auf mindestens eine
Außenfläche des Verstärkungsmaterials (9) aufgebracht und
mit den Schichten (1-6) vernäht ist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Schicht,
der Film, das Gewebe, das Band oder der Streifen aus
einem geschäumten Material oder einem Polyester oder
einem anderen wärmehärtbaren Kunststoffmaterial besteht.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei das Matrix- oder Einbettungsmaterial (7,
8) ein Film, eine Schicht bzw. ein Bogen, ein Band oder
ein Streifen eines thermoplastischen Materials ist, der
bzw. das zwischen mindestens zwei der Schichten (1-6)
zwischengefügt und/oder auf eine oder beide Außenflächen
der übereinandergelagerten Schichten aufgebracht und mit
den Schichten (1-6) vernäht ist.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der Film, die
Schicht bzw. der Bogen, das Band oder der Streifen des
thermoplastischen Materials zwischen jede der
benachbarten Schichten (1-6) des Verstärkungsmaterials
zwischengefügt ist.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
umfassend Imprägnieren des Verstärkungsmaterials mit
einem synthetischen Harz-Matrix- bzw.
Einbettungsmaterial (7, 8)
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
umfassend Aufbringen einer Beschichtung aus synthetischem
Harz-Matrix- bzw. Einbettungsmaterial auf mindestens eine
Außenfläche des Verstärkungsmaterials (9).
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die
Beschichtung klebrig ist und ein Löse- bzw. Trennpapier
darüber aufgebracht wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 10, wobei das
synthetische Harzmaterial ein wärmehärtbares Harzmaterial
ist.
12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei die Garne oder Fäden bzw. Zwirne (10)
aus Glas gemacht sind.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11,
wobei die Garne oder Fäden bzw. Zwirne (10) aus
Glasfaser, Kohlefaser, Aramidfaser, Keramikfasern,
Metall, Polyäthylen oder Mischungen daraus gefertigt
sind.
14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei die Garne oder Fäden bzw. Zwirne (10) in
diese eingearbeitete oder diese durchsetzende Garne oder
Fäden bzw. Zwirne (13) eines thermoplastischen
Harzmaterials aufweisen.
15. Verfahren gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei mindestens einige der Garne oder Fäden
bzw. Zwirne (10, 13) einen Kern (16) eines
Verstärkungsgarns oder -fadens bzw. -zwirns, eine Schicht
eines Matrix- bzw. Einbettungsmaterials (17) um den Kern
herum und eine Außenhülle bzw. einen Außenmantel oder
eine -schicht (18) um die Schicht des Matrix- bzw.
Einbettungsmaterials (17) herum aufweisen.
16. Verfahren gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei die Garne oder Fäden bzw. Zwirne (10) in
mindestens zwei der Schichten (1-6) unter einem Winkel
von 90º zueinander verlaufen.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Garne
oder Fäden bzw. Zwirne in mindestens einer weiteren
Schicht unter einem Winkel von zwischen 45 und 90º
bezüglich der Garne oder Fäden bzw. Zwirne (10) in
mindestens einer der mindestens zwei Schichten (1-6)
verlaufen.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei die
Schichten mindestens eine Schicht, in der die Garne oder
Fäden bzw. Zwirne (10) in einer ersten Richtung
verlaufen, eine Schicht, in der die Garne oder Fäden bzw.
Zwirne in einer zweiten Richtung unter 90º zur ersten
Richtung verlaufen, eine Schicht, in der die Garne oder
Fäden bzw. Zwirne (10) in einer dritten Richtung unter
45º zur ersten Richtung verlaufen, und eine Schicht, in
der die Garne oder Fäden bzw. Zwirne in einer vierten
Richtung unter 45º zur ersten Richtung und unter 90º zur
dritten Richtung verlaufen, umfassen.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das
Verstärkungsmaterial isotropisch ist.
20. Verfahren gemäß einem der vorstehenden
Ansprüche, umfassend Einfügen von Stücken oder Flecken
bzw. Flicken eines Verstärkungsmaterials (15) an
ausgewählten Stellen zwischen die Schichten (1-6) vor dem
Vernähen.
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Date | Code | Title | Description |
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8363 | Opposition against the patent | ||
8331 | Complete revocation |