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Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Armierungen
zur Fertigung von Faser-Matrix-Verbundteilen mit hohen
mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften.
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Es ist bekannt, daß für die Herstellung derartiger Verbundteile
Faserarmierungen gefertigt werden, die in eine aushärtbare Matrix
eingelagert werden. Die Fasern, die für die Herstellung derartiger
Faserarmierungen verwendet werden können, bestehen zum Beispiel
aus Kohlenstoff, Bor, Glas, Aramid usw. Diese Fasern werden nach
stehend als "technische Fasern" bezeichnet.
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Es ist auch bekannt, daß bei der Herstellung dieser
Faserarmieruitgen häufig Nähverfahren mit diesen technischen Fasern eingesetzt
werden. So können durch Nähen zum Beispiel:
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- einzelne Faserteile zur gewünschten Armierung zusammengesetzt
werden;
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- übereineinanderliegende Schichten aus einem Faserwerkstoff zu
einem Faserteil verbunden werden, aus dem eine Armierung oder
ein Armierungselement hergestellt wird;
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- in ein Faserteil Fasern mit einer gewünschten Richtung
eingebracht werden.
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Versuche, derartige Faserteile mit Endlosfäden aus technischen
Fasern mit Hilfe klassischer Nähmaschinen zu nähen, haben nicht
den Erwartungen entsprochen und sich sogar als unmöglich erwiesen.
So werden Fäden aus technischen Fasern aufgrund ihrer Beschaften
heit, wenn sie durch die Nähnadel in die Paserteile eingeführt
werden, durch die Nadel so beschädigt, daß sie häufig brechen und
der laufende Nähvorgang dadurch beendet wird. Außerdem nimmt die
Bruchhäufigkeit des Nähfadens mit der Dicke des Faserteils zu so
daß dicke Faserteile nicht genäht werden können.
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Aber auch wenn der Faden aus einer technischen Faser beim Nähen
nichü bricht, kann er immer noch danach brechen, da bei jedem
Nähstich an der Kreuzung von Ober- und Unterfaden ein brüchige
Zone entsteht.
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Diese bekannte frühere Technik wird zum Beispiel in der
Druckschrift DE-A-2 704 378 beschrieben. Hier ist zu sehen, daß das
Faserteil genäht wird, indem ein Oberfaden, der aus der
technischen Faser besteht, mit einem Unterfaden verschlungen wird, wobei
der technische Faden bei jedem Stich in das Faserteil durch eine
Nadel eingeführt wird, die eine Hin- und Herbewegung ausführt und
auf ihrem Hinweg durch das Faserteil in eine erste Seite desselben
eindringt und auf einer zweiten Seite, die der ersten Seite
entgegengesetzt ist, wieder austritt, wobei der Unterfaden mit dem
technischen Faden auf der zweiten Seite verschlungen wird,
wohingegen der Unterfaden beim Nadelhub durch den technischen Faden in
das Faserteil gezogen wird. Es ist zu bemerken, daß in der
Druckschrift DE-A-2 704 378, um das Brechen des technischen Fadens bei
Kontakt mit der Nadel zu vermeiden, eine Hilfsnadel vorgesehen
wird.
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Unabhängig davon sind unter Industriebedingungen, wenn ein
Faserteil mit einem Faden aus einer technischen Faser genäht werden
soll, komplexe Nähvorrichtungen und/oder Nähvorrichtungen mit
einer Spezialauflage für das zu nähende Faserteil erforderlich, wie
sie zum Beispiel in den Drucksohriften US-A-2 283 802 und
US-A-3 322 868 beschrieben werden.
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Gegenstand dieser Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen,
so daß Teile aus technischen Fasern mit Fäden, die ebenfalls aus
einer technischen Faser bestehen, auf klassischen Nähmaschinen
selbst dann genäht werden können, wenn die Teile dick sind.
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Dazu ist das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem mit einem Faden
aus einer technischen Faser ein Faserteil zur Herstellung eines
Faser-Matrix-Verbundteils genäht werden soll und bei dem der
Nähvorgang durch Verschlingung eines Oberfadens und eines Unterfadens
in der Weise erfolgt, daß der Oberfaden bei jedem Stich in das
Faserteil durch eine Nadel eingeführt wird, die eine Hin- und
Herbewegung ausführt und auf dem Hinweg durch das Faserteil in eine
erste Seite desselben eindringt und dieses auf einer zweiten, der
ersten entgegengesetzten Seite verläßt, wobei der Unterfaden mit
dem Oberfaden auf der zweiten Seite verschlungen wird, während der
Unterfaden bei der Rückwärtsbewegung der Nadel durch den Oberfaden
in das Faserteil gezogen wird, dadurch bemerkenswert, daß:
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- der Oberfaden aus einem zugfesten Hilfsfaden besteht;
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- der Unterfaden aus der technischen Faser besteht und
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- die Spannung des Unterfadens und die Spannung des Oberfadens so
niedrig bzw. hoch eingestellt werden, daß der Unterfaden am Ende
des Nähstiches außen am Faserteil an dessen erster Seite
übersteht und sich der Oberfaden ebenfalls auf der ersten Seite des
Faserteils vollständig außerhalb desselben befindet.
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So kann dank der Erfindung der Faden aus der technischen Faser
durch die Nähnadel weder brechen noch brüchig werden. Der Faden
aus der technischen Faser kommt nur mit dem Hilfs-Oberfaden in
Berührung, durch den er in das Faserteil gezogen wird. Es ist zu
bemerken, daß diese Erfindung von der bisherigen Praxis abweicht,
bei dem als Oberfaden immer der technische Faden, mit dem der
Nähvorgang ausgeführt werden soll, verwendet wurde (siehe
DE-A-2 704 378).
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Wegen der in dieser Erfindung realisierten speziellen Einstellung
der Fadenspannungen befindet sich nur der Faden aus der
technischen Faser innerhalb des Faserteils. Der Hilfsfaden befindet sich
außerhalb desselben und stellt also gegenüber dem Faserteil keine:
Ungleichartigkeit dar. Ein solcher Hilfsfaden, der nur als
Zugfeden des aus der technischen Faser bestehenden Unterfadens dient,
kann aus jedem bekannten Faden mit der für seinen Anwendungszweck
geeigneten Zugfestigkeit bestehen. Er kann zum Beispiel aus einer
bekannten Textilfaser, einer Naturfaser oder einer synthetischen
Faser, bestehen.
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Da er sich außerhalb des Faserteils befindet, kann er außerdem
leicht entfernt werden.
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Es ist außerdem zu bemerken, daß die Abschnitte des Fadens aus der
technischen Faser, die sich innerhalb des Faserteils befinden,
aufgrund der Faserstruktur dieses Teils durch den seitlichen Druck
der anderen Fasern des Teils in ihrer Lage stabilisiert werden.
Demzufolge ist es gegebenenfalls möglich, die Teile des Fadens aus
der technischen Faser, die auf der ersten und zweiten Seite des
Faserteils sichtbar sind, zu beseitigen, ohne daß darunter die
Haltbarkeit der Nähstiche leidet.
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Bekanntlich haben klassische Nähmaschinen Mittel zur Einstellung
der Oberfadenspannung und Mittel zur Bremsung des Unterfadens.
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Um einen erfindungsgemäßen Nähstich zu erzielen, können zusätzli
che Mittel erforderlich sein, wie Ablenkvorrichtungen, Flansch-
Fadenbremsen usw., durch die die Spannung des textilen Oberfadens
geeignet erhöht werden kann. Im Gegenzug kann es erforderlich
sein, die Unterfadenspannung durch die Bremsmittel zu verringern,
indem zum Beispiel die beim Betrieb entstehenden Reibungen maximal
reduziert werden.
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Außerdem ist festzustellen, daß es vorteilhaft ist, wenn die zur
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzte Nähmaschine
wie allgemein üblich einen Nähfuß hat, durch den das Faserteil
gehalten und in einer relativen Bewegung zur Nadel geführt wird,
so daß Nähstichfolgen ausgeführt werden können. Der Nähfuß übt auf
das Faserteil einen Druck aus, das dadurch zusammengepreßt wird.
Durch eine derartige Pressung wird die Ausführung des
erfindungsgemäßen Stiches und die Herstellung dicker Faserteile erleichtert
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Ein solches Faserteil kann zur Herstellung eines
Faser-Matrix-Verbundteils durch Vernähen mit Hilfe eines Oberfadens und eines
Unterfadens dienen, das dadurch bemerkenswert ist, daß es technische
Fasern hat, die durch dieses parallel zu seiner Dicke verlaufen
und aus dem Unterfaden bestehen.
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Ein Faser-Matrix-Verbundteil kann aus einem derartigen Faserteil
durch Bildung der Matrix in diesem Faserteil hergestellt werden.
Vorzugsweise sind die technischen Fasern in diesem
Verbundteilmiteinander nicht durch Unterfadenabschnitte quer zur Dicke des
Faserteils verbunden.
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Die Figuren der beigefügten Zeichnung erleichtern das Verständnis;
dafür, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesen Figuren
sind ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
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Figur 1 ist eine im Schnitt gesehene schematische Ansicht, die die
bekannte Bildung von Nähstichen in diesem Teil mit Hilfe eines
Oberfadens und eines Unterfadens veranschaulicht.
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Figur 2 ist eine schematische Schnittansicht analog Figur 1, die
die Nähstiche entsprechend der Erfindung veranschaulicht.
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Figur 3 zeigt in einer analogen Ansicht das Faserteil von Figur 2,
nachdem die außerhalb des Faserteils befindlichen Ober- und
Unterfadenteile beseitigt wurden.
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Teil 1 der Figuren 1 bis 3 besteht aus technischen Fasern
(Kohlenstoff, Glas, Aramid, Bor usw.) und hat einander entgegengesetzte
Seiten 2 und 3. Es kann die Form eines Gewebes, das eventuell mit
einem härtbaren Harz getränkt ist, oder die Form einer Matte
haben, in der die trockenen oder mit einem härtbaren Harz vorimprä-
gnierten Fasern nach zwei oder mehreren bestimmten Richtungen
organisiert angeordnet oder zufällig verteilt sind. Das Faserteil 1
kann sogar aus mehreren übereinanderliegenden Einzelschichten be
stehen.
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In Figur 1 wurde schematisch der Nähvorgang von Faserteil 1 mit
einem Oberfaden 4, der über Mittel zur Regelung der Fadenspannung
von einer Oberfadenspule kommt, und einem Unterfaden, der über
Fadenbremsmittel von einer Unterfadenspule kommt, veranschaulicht.
In dieser Figur wurden der Klarheit halber weder die Nadel, der
Greifer, die Oberfadenspule, die Unterfadenspule, die Mittel zur
Einstellung der Fadenspannung noch die Bremsmittel dargestellt.
Außerdem wurde angenommen, daß zwischen der Nadel und dem
Faserteil 1 eine relative Bewegung erfolgt, die mit Pfeil D
symbollsiert wurde.
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Wie schematisch am rechten Ende von Figur 1 dargestellt ist,
dringt die Nadel mit dem Oberfaden 4 in das Faserteil 1 durch
dessen Seite 2 ein, durchsticht das Faserteil parallel zu dessen
Dicke e und tritt auf Seite 3 wieder aus, wobei sie mit dem Ober
faden 4 eine Schlinge 6 bildet. Der Greifer auf Seite 3 mit der
Unterfadenspule 5 bewegt sich durch die Schlinge 6. Sobald der
Unterfaden 5 durch die Schlinge 6 hindurchgelangt ist, bewegt sich
die Nadel aufwärts, nimmt ihren eigenen Oberfaden 4 mit, zieht die
Schlinge 6 mit dem Unterfaden 5 zusammen und zieht diesen durch
den Oberfaden 4 nach oben. Durch die relative Bewegung D
wiederholt sich dieser Prozeß während der gesamten Naht. Damit ergibt
sich eine Folge von Stichen 7.
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Wenn ein Stich 7 beendet ist, bilden der Oberfaden 4 und der
Unterfaden 5 jeweils eine Schlinge 8 bzw. 9, wobei die Schlingen 8
und 9 ineinander verlaufen und zwischen dem Oberfaden 4 und dem
Unterfaden 5 einen Kontaktpunkt 10 bilden.
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Wie üblich werden die Mittel zur Einstellung der Spannung des
Oberfadens 4 und die Mittel zum Bremsen des Unterfadens 5 so
eingestellt, daß sich die Kontaktpunkte 10, wie in Figur 1
dargestellt, in der Dicke des Faserteils 1 befinden.
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Die verschiedenen Stiche 7 sind miteinander durch Brücken 11 des
Oberfadens und Brücken 12 des Unterfaden verbunden Dabei befinden
sich die Brücken 11 an der Seite 2 von Faserteil 1, während sich
die Brücken 12 an der Seite 3 desselben befinden.
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Wenn in das Faserteil 1 technische Fasern eingenäht werden sollen
und zu diesem Zweck für den Oberfaden 4 und für den Unterfaden 5
Endlosfäden aus derartigen technischen Fasern verwendet werden,
ist festzustellen, daß der Oberfaden 4 häufig bricht, und zwar
umso öfter, je dicker das Faserteil 1 ist, so daß ein Nähvorgang
praktisch unmöglich ist. Außerdem ist der Oberfaden 4 in den
zwischen zwei Fadenbrüchen ausgeführten Stichen 7 an den
Kontaktpunkten 10 extrem brüchig, so daß der Oberfaden 4 nach dem Nähen im
Bereich der Kontaktpunkte 10 brechen kann.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen und in das Faserteil 1 technische
Fasern mit Hilfe einer gewöhnlichen Nähmaschine einnähen zu
können, wird erfindungsgemäß:
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- als Oberfaden 4 eine zugfeste klassische Textilfaser verwendet;
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- als Unterfaden 5 die technische Faser, die in das Faserteil 1
eingeführt werden soll, eingesetzt;
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- durch entsprechende Einstellung der Mittel zur Spannungsregelu]lg
und gegebenenfalls durch zusätzliche Mittel eine hohe Spannung
des Oberfadens 4 eingestellt und
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- durch Verringerung der Bremsung der Bremsmittel eine niedrige
Spannung des Unterfadens 5 eingestellt.
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Durch die entsprechende Einstellung der Spannung des Oberfadens 4
und des Unterfadens 5 auf diesen hohen bzw. niedrigen Wert wird am
Ende des Stichs (Ausführung entsprechend der obigen Darlegung für
den rechten Teil von Figur 1) erfindungsgemäß somit folgendes
erreicht:
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- die Schlinge 8 von Oberfaden 4 verschwindet, da der Faden 4
geradlinig auf Seite 2 des Faserteils 1 aufliegt, und
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- die Schlinge 9 von Unterfaden 5, durch die der Faden 4 verläuft,
wird von diesem so weit hochgezogen, bis ihr Ende 9A (das beim
Ziehen durch das Faserteil 1 mit dem Oberfaden 4 zusammenwirkt
an der Seite 2 von Faserteil 1 übersteht.
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Innerhalb des Faserteils 1 bleiben somit nur die beiden Abschnitte
98 jeder Schlinge 9 bestehen, wobei der Faden 4 gespannt auf Seite
2 von Faserteil 1 aufliegt, während auf dessen Seite 3 weiterhin
Brücken 12 bestehen. Dies wird schematisch in Figur 2
veranschaulicht.
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Die Abschnitte 98 der Schlingen 9 von Unterfaden 5 (Faden aus
einer technischen Faser) werden innerhalb des Faserteils 1 durch die
Fasern, aus denen dieses besteht, zusammengepreßt und in ihrer
Lage stabilisiert. Wie in Figur 3 gezeigt, können folglich nach
dem Nähen auf Seite 2 der textile Faden 4 und die Enden 9A der
Schlingen 9 von Unterfaden 5 und/oder auf Seite 3 die Brücken 12
von Unterfaden 5 beseitigt werden, ohne daß die Qualität der Bin
dung, die im Faserteil 1 durch die Abschnitte 98 hergestellt wird,
die damit technische Fasern quer zum Faserteil 1 darstellen,
beeinträchtigt wird.
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Derartige Querfasern 98 können dazu dienen, einzelne Faserschich
ten von Faserteil 1 (zur Herstellung eines dicken Faserelements
oder zur Verbindung der einander überlappenden Ränder von zwei
einzelnen Faserelementen) miteinander zu verbinden oder auch
technische
Verstärkungsfasern parallel zur Dicke von Faserteil 1 zu
bilden.
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Wenn die zur Umsetzung der Erfindung verwendete Nähmaschine, wie
üblich, einen Nähfuß hat, durch den das Faserteil 1 in seiner
Bewegungsrichtung D gegenüber der Nadel geführt werden kann, ist
klar, daß dieser Nähfuß dazu dienen kann, die Fasern, aus denen
das Faserteil 1 besteht, parallel zu dessen Dicke
zusammenzupres -sen, so daß diese Dicke reguliert und die Bildung des
erfindungsgemäßen Nähstichs, wie er in Figur 2 veranschaulicht ist,
erleichtert werden kann.
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Natürlich können nach dem erfindungsgemäßen Nähvorgang am
Faserteil 1 alle bekannten Arbeiten zum Imprägnieren und Härten der
Matrix vorgenommen werden. Im übrigen ist zu bemerken, daß die
Beseitigung von Faden 41 der Enden 9A und/oder der Brücken 12
eventuell erfolgen kann, nachdem aus dem Faserteil 1 das Matrix-
Verbundteil hergestellt wurde.