EP2704888A1

EP2704888A1 - Verfahren zur herstellung eines textilen halbzeuges sowie textiles halbzeug für eine textile faserverbundstruktur

Info

Publication number: EP2704888A1
Application number: EP11719479.5A
Authority: EP
Inventors: Irene Brockmanns
Original assignee: Fa Kuempers & Co KG GmbH
Current assignee: Fa Kuempers & Co KG GmbH
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2014-03-12
Also published as: US20140065342A1; CA2834632C; US9120291B2; CA2834632A1; WO2012152296A1

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeuges für eine textile Faserverbundstruktur vorzuschlagen, welches trotz deutlich erhöhter Produktivität insbesondere auch für dreidimensionale Anwendungen, eine weitestgehend kraftflussgerechte Anordnung der Faserstrukturen gewährleisten soll sowie ein entsprechendes textiles Halbzeug vorzuschlagen. Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11, 12) mit einem Ende in definiertem Winkel zu einer Bezugsachse zueinander benachbart auf einem plastisch verformbaren flächigen Trägermaterial (1, 6) angeordnet und fixiert werden, dass nach einer derartigen Ablage einer ersten Reihe von Rovingstücken (2, 4, 7, 10, 11, 12) in darauf folgenden Reihen die Ablage der Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11, 12) so erfolgt, dass jeweils nicht mit dem Trägermaterial (1, 6) verbundene Enden der Rovingstücke die zuvor abgelegten Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11, 12) dachziegelartig oder schuppenförmig überlappen.

Description

Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeuges sowie textiles Halbzeug für eine textile Faserverbundstruktur.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeuges für eine textile Faserverbundstruktur, das im Wesentlichen aus Rovingstücken mit definierter Länge und Breite besteht, wobei die Rovingstücke enderzeugnisabhängig an definierter Position abgelegt werden und sich überlappen, sowie ein textiles Halbzeug.

Beim Bau von Fahrzeugen aller Art oder auch beispielsweise für Windkraftanlagen nimmt das Bedürfnis nach belastbaren und dennoch leichtgewichtigen und möglichst

kostengünstigen Materialien zu. Insbesondere Faserverbundwerkstoffe bieten ein

überragendes Leichtbaupotential. Das Prinzip besteht darin, dass insbesondere hochfeste und steife Fasern belastungsgerecht in einer Matrix eingebettet werden, wodurch Bauteile mit herausragenden mechanischen Eigenschaften entstehen, die typischerweise 25 % leichter als Aluminium und 50 % leichter als Stahlstrukturen mit vergleichbarer

Leistungsfähigkeit sind.

Um Faserverbundstrukturen mit entsprechend dem Kraftfluss angeordneten Fasern herzustellen, hat man für ausgewählte Anwendungen so genannte Preforms als textile Halbzeuge gefertigt. Dabei handelt es sich um meist zwei- oder dreidimensionale Gebilde mit belastungsgerecht ausgelegter Faserausrichtung.

Beispielsweise durch die DE 100 05 202 B4 oder die DE 197 26 831 C2 ist es bekannt, Endlosfadenscharen in ihren späteren Belastungsrichtungen sukzessive übereinander zu legen und durch eine Verbindungstechnik wie beispielsweise Vernähen in einer so genannten Multi-Axial-Maschine zu einem fertigen Preform zu verbinden. Bei einer durch die DE 10 2007 024 124 B3 bekannt gewordenen Multi-Axial-Maschine werden sowohl Endlosfäden abwechselnd um Hakenreihen an beidseitig längs verlaufenden Transportketten gelegt als auch die Breite der Warenbahn überbrückende abgelängte Fadenscharen an den Transportketten mittels Klemmbefestigungen vorübergehend fixiert.

Zur Herstellung von komplexen Preforms werden diese textilen Strukturen separat zugeschnitten und in einem Folgeprozess zu dickeren Paketen zusammengefügt, bevor sie zum Beispiel mittels eines Harzinjektionsprozesses zu einem fertigen Verbundbauteil geformt werden.

Insbesondere bei Bauteilen, bei denen gekrümmte Kraftflusslinien mit variierender Dichte zu erwarten sind, ist mit den bekannten Methoden die Herstellung eines entsprechenden kraftflussgerecht ausgelegten Bauteiles nicht möglich.

Durch die DE 103 01 646 A1 ist ein Faser- oder Fadengelege bekannt geworden, bei dem Strangstücke in verschiedenen Ablagemustern in mehreren Schichten übereinander abgelegt und miteinander verklebt werden. Dadurch verbessert sich zwar die

kraftflussgerechte Ablage, und die Drapierfähigkeit wird in einem bestimmten Maße verbessert, ist jedoch für stärkere Verformungen durch die kompakte Gestaltung auch nicht geeignet.

In der DE 10 2007 012 609 A1 ist deshalb vorgeschlagen worden, Rovings zu spreizen und in Stücke mit definierter Länge und Breite zu zerteilen, wonach diese Rovingstücke mittels einer speziellen Legevorrichtung mit einer elastisch verformbaren Oberfläche flächig an eine dreidimensionale Formfläche angepresst werden. Diese Rovingstücke werden mittels eines Bindermaterials auf der dreidimensionalen Formfläche fixiert. Die Verteilung der

Rovingstücke auf der dreidimensionalen Formfläche erfolgt so, dass dieselben an vordefinierten Positionen platziert und fixiert werden. Bei Verwendung eines thermisch aktivierbaren Binders hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Heizvorrichtung am Legekopf anzubringen und das Faserbandstück während des Transports zum Ablageort aufzuheizen, wodurch der Binder aktiviert wird.

Alternativ zu dieser Art der thermischen Fixierung wird in der GB 2 268 699 A beschrieben, dass eine durch eine Vielzahl verstellbarer Stützen räumlich verformbare Platte als

Werkzeug für die Formgebung von plastischen Materialbahnen dienen kann, wobei die Heizeinrichtung zur Fixierung der Raumform in das Werkzeug integriert ist.

Gegenüber dem übrigen Stand der Technik wird durch die Erfindung der DE 10 2007 012 609 A1 eine wesentlich bessere Anpassung der Streckung der Rovings in Richtung der Kraftflusslinien in der Faserverbundstruktur erreicht. Nachteilig jedoch ist, dass eine sehr komplexe Legevorrichtung mit mehreren Freiheitsgraden zur jeweils der dreidimensionalen Formfläche angepassten Ablage der Rovingstücke erforderlich ist. Eine solche

Legeeinrichtung ist aufgrund ihrer Komplexität nicht nur sehr kostenaufwendig, sondern auch aufwendig zu programmieren und außerordentlich begrenzt in der Produktivität. Sie eignet sich deshalb insbesondere für komplizierte Strukturen und geringe Stückzahlen. Bei größeren Stückzahlen und größeren Flächen kann auf eine solche Vorrichtung nicht zurückgegriffen werden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines textilen

Halbzeuges für eine textile Faserverbundstruktur vorzuschlagen, welches trotz deutlich erhöhter Produktivität insbesondere auch für dreidimensionale Anwendungen, eine weitestgehend kraftflussgerechte Anordnung der Faserstrukturen gewährleisten soll sowie ein entsprechendes textiles Halbzeug vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 verfahrensseitig und durch die Merkmale des Anspruches 8 erzeugnisseitig gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche 2 bis 7 beschrieben.

Im Gegensatz zum Stand der Technik werden die Rovingstücke nicht an einer

dreidimensionalen Formfläche, die ihrem späteren Einsatz entspricht, abgelegt, sondern zueinander benachbart auf einem plastisch verformbaren flächigen, das heißt,

zweidimensionalen Trägermaterial in definiertem Winkel zu einer Bezugsachse angeordnet und nur mit einem Ende fixiert. Die Anordnung in aufeinander folgenden Reihen erfolgt so, dass jeweils nicht mit dem Trägermaterial verbundene Enden der Rovingstücke die zuvor abgelegten Rovingstücke dachziegelartig oder schuppenförmig überlappen. Die Befestigung der Rovingstücke nur an einem Ende auf dem Trägermaterial dient lediglich der Fixierung auf dem Trägermaterial, gestattet aber bei einem späteren Verform- oder Drapiervorgang des Trägermaterials eine nahezu unbegrenzte Verschiebung zwischen den sich

überlappenden Rovingstücken. Diese Verschiebung kann durch Dehnung des

Trägermaterials in Längsrichtung der Rovingstücke erfolgen, aber auch durch eine

Veränderung der Winkelstellung jedes einzelnen Rovingstückes in Abhängigkeit von der Form in der die Drapierung erfolgt.

Die Befestigung der Rovingstücke mit ihrem einen Ende auf dem Trägermaterial kann in unterschiedlicher weise erfolgen.

Eine vorteilhafte Lösung ist, dass das Trägermaterial selbst adhäsive Eigenschaften aufweist, die bereits ausreichen, die Rovingstücke so zu fixieren, dass sich die Verbindung bei dem späteren Drapieren und auch beim Harzimprägnierprozess nicht löst. Diese adhäsiven Eigenschaften der Oberfläche des Trägermaterials können insbesondere durch thermisches Aktivieren eines Binders erreicht werden. Alternativ ist es auch möglich, die Rovingstücke in dem Bereich, in dem sie in Kontakt mit dem Trägermaterial kommen, selbst adhäsiv auszurüsten. Diese adhäsive Ausrüstung kann beispielsweise auch nur punktuell sein, um die für den späteren Drapierprozess erforderliche Flexibilität dieser Verbindung zu gewährleisten.

Durch die adhäsive Ausrüstung des Trägermaterials beziehungsweise der Rovingstücke nur an ihrem einen Ende wird zwischen den Rovingstücken keine Verbindung erzeugt, wodurch eine nahezu freie Beweglichkeit während des Drapierens gewährleistet wird.

Besonders vorteilhaft ist es, die Anordnung der Rovingstücke vor dem Drapieren auf dem Trägermaterial nach entsprechender Vorausberechnung so zu wählen, dass diese nach dem Drapieren ihre bezüglich des vorgesehenen Kraftflusses im Enderzeugnis optimierte Lage einnehmen. Anstelle einer Vorausberechnung können jedoch auch Muster erstellt werden, wobei durch Iteration die Ausgangsposition und Ausrichtung der Rovingstücke für deren optimale Ausrichtung im dreidimensionalen Gebilde sukzessive nachgebildet und als Muster hinterlegt werden. Dieses Muster lässt sich dann für die gleichen Erzeugnisse immer wieder verwenden oder auch durch wenige Versuche für ähnliche Bauteile abwandeln.

An dieser Stelle ist noch darauf hinzuweisen, dass der in den Ansprüchen enthaltene Begriff einer„Reihe" von Rovingstücken sich nicht nur auf ein geradliniges Nebeneinanderanordnen von Rovingstücken beschränkt, sondern nahezu beliebige andere Staffelungen, wie sie beispielhaft in den Ausführungsbeispielen dargelegt werden, mit umfasst. Auch beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Verwendung gleich langer Rovingstücke. In Abhängigkeit von der gewünschten Schichtdicke beziehungsweise der Anzahl von übereinander liegenden Rovings im Schnitt kann die Länge der Rovings entsprechend gewählt werden. Zum Beispiel ergeben lange Rovings bei gleich breiter Fixierzone eine größere Anzahl von Überlappungen als kürzere Rovings.

Grundsätzlich werden die Vorteile der Erfindung sogar bei zweidimensionalen Anwendungen nutzbar und gelten als ausdrücklich von der Erfindung mit erfasst. So kann die

erfindungsgemäß hergestellte Fläche durch zweidimensionale Verformung in eine

veränderte Flächenform oder -große konvertiert werden und dabei jeweils nach

Verformungsrichtung bezüglich der Ausrichtung der Rovings der späteren Kraftflussrichtung angepasst werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Figur 1 zeigt einen Abschnitt des Trägermaterials mit einer Reihe von Rovingstücken,

- Figur 2 zeigt ein Trägermaterial mit gestufter Anordnung von Rovingstücken, Figur 3 zeigt eine Anordnung von Rovingstücken mit endseitiger Spreizung,

- Figur 4 zeigt eine dachziegelartige Anordnung von mehreren Rovingreihen,

- Figur 5 zeigt ebenfalls eine dachziegelartige Anordnung von Rovingreihen, jedoch mit stärkerer Überlappung und

Figur 6 zeigt eine Anordnung von mehreren Rovingreihen in einer

kreissegmentartigen Anordnung. In Figur 1 ist ein bahnförmiges Trägermaterial 1 in Form eines Trägerbahnabschnittes dargestellt, auf dem Rovingstücke 2 in einer ersten Reihe angeordnet sind, die einen Fixierbereich 3 aufweisen, in dem sie mit dem Trägermaterial 1 verbunden sind. Hier weisen die Rovingstücke 2 auf den Fixierbereich 3 beschränkte adhäsive Eigenschaften auf.

Alternativ könnte das bahnförmige Trägermaterial 1 selbst adhäsive Eigenschaften aufweisen. Entsprechend würden beim vorliegenden Beispiel die Rovingstücke 2 dann ganzflächig mit dem bahnförmigen Trägermaterial 1 verbunden werden. Würde dies, was sich ohnehin nur auf die erste Reihe beschränken würde, nicht gewünscht, könnte das bahnförmige Trägermaterial unterhalb der Fixierbereiche 3 abgetrennt werden oder würde in diesem Endbereich keine adhäsiven Eigenschaften aufweisen. Weitere Reihen von

Rovingstücken 2 würden über der hier dargestellten Reihe weiter aufgebaut und dann die Rovingstücke 2 der ersten Reihe entsprechend überlappen, wie das zum Beispiel in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist.

Ob und um welchen Betrag die Rovingstücke innerhalb jeder Reihe zueinander beabstandet sind, hängt von den später gewünschten Eigenschaften ab. Jedoch ist es vorteilhaft, für den Fall der Beabstandung nicht den Träger mit den adhäsiven Eigenschaften auszurüsten, da in diesem Fall auch darüber liegende Rovingreihen mit dem Trägermaterial verkleben könnten.

In Figur 2 ist demonstriert, dass die Anordnung von Rovingstücken 4 auf dem bahnförmigen Trägermaterial 6 auch alternierend sein kann. Mit 5 sind hier Fixierpunkte angegeben, die aus einer punktförmigen Kleberanordnung auf dem Trägermaterial 1 oder den

Rovingstücken 4 bestehen können oder beispielsweise auch im Rahmen der Erfindung durch eine Heftung gebildet sein können.

Figur 3 zeigt eine im Wesentlichen der Figur 2 entsprechende Anordnung von Rovingstücken 7, die in ihrem Endbereich 8 zusätzlich gespreizt sind. Diese Spreizung hat den Vorteil, dass im Enderzeugnis die Abstufungen der Enden der Rovingstücke 7 nicht zu sehen sind. Die Fixierung der Rovingstücke 7 erfolgt hier jeweils mittels zweier Fixierpunkte. Auch diese Fixierung gestattet bei der späteren Formgebung eine erhebliche Beweglichkeit der Rovingstücke 7 auf dem Trägermaterial.

In Figur 4 sind mehrere Reihen 10a bis 10e von Rovingstücken dargestellt, die sich dachziegelartig überlappen.

Demgegenüber ist erkennbar, dass die Rovingstücke 11a bis 11 h in Figur 5 sich aufgrund ihrer Länge deutlich mehr überlappen als die Rovingstücke 10a bis 10e in Figur 4. Dabei wird jeweils davon ausgegangen, dass die Endbereiche der Rovings, mit denen sie auf dem Trägermaterial fixiert sind, etwa die gleiche Dimension haben.

Durch die Darstellung in den Figuren 4 und 5 soll deutlich gemacht werden, dass durch die erfindungsgemäße Konstruktion in einem Zug textile Halbzeuge hergestellt werden können, die sich in ihrer Dicke aufgrund der Schichtung erheblich voneinander unterscheiden.

Bei der Darstellung in Figur 6 sind die Rovingstücke 12a bis 12e in Form eines

Kreissegmentes angeordnet. Damit soll demonstriert werden, dass sich die Erfindung nicht auf die Anordnung von Rovingstückreihen beschränkt, die geradlinig quer zum hier nicht dargestellten bahnförmigen Trägermaterial verlaufen. Es ließen sich hier vielmehr beliebige andere Anordnungen von Rovingstückreihen ausbilden.

Entscheidend im Verhältnis zum Stand der Technik ist, dass die Rovings immer auf ein zweidimensionales Trägermaterial aufgebracht werden und so befestigt werden, dass ihre Beweglichkeit für einen späteren Verformungsprozess, sei dieser zwei- oder

dreidimensional, ausreichend ist. Dadurch lässt sich der Prozess der Belegung der bahnförmigen Trägermaterialien mit den Rovingstücken deutlich produktiver gestalten. Außerdem sind die Anforderungen an eine Legevorrichtung deutlich geringer.

Der Prozess der Aufspreizung von Tauen, des Ablängens der Rovingstücke und

gegebenenfalls des Belegens des bahnförmigen Trägermaterials mit einem Bindemittel kann analog der DE 10 2007 012 609 A1 erfolgen. Ebenso gibt es für die Vorbereitung und die Durchführung des späteren Harzinfusionsprozesses keine über den Stand der Technik hinausgehenden Anforderungen.

Bezugszeichenliste

1. bahnförmiges Trägermaterial

2. Rovingstück

3. Fixierbereich

4. Rovingstück

5. Klebepunkt

6. bahnförmiges trägermaterial

7. Rovingstück

8. Spreizung

9. Heftung

10. Rovingstück

11. Rovingstück

12. Rovingstück

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeuges für eine textile

Faserverbundstruktur, das im Wesentlichen aus Rovingstücken (2, 4, 7, 10, 11 , 12) mit definierter Länge und Breite besteht, wobei die Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11 , 12) enderzeugnisabhängig an definierter Position abgelegt werden und sich überlappen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11 , 12) mit einem Ende in definiertem Winkel zu einer Bezugsachse zueinander benachbart auf einem plastisch verformbaren flächigen Trägermaterial (1 , 6) angeordnet und fixiert werden,

dass nach einer derartigen Ablage einer ersten Reihe von Rovingstücken (2, 4, 7, 10, 11 , 12) in darauf folgenden Reihen die Ablage der Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11 , 12) so erfolgt, dass die jeweils nicht mit dem Trägermaterial (1 , 6) verbundene Enden der Rovingstücke die zuvor abgelegten Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11 , 12) dachziegelartig oder schuppenförmig überlappen, wobei die Rovingstücke zur Gewährleistung einer gegenseitigen Verschiebbarkeit nicht untereinander verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1 , 6) adhäsive Eigenschaften aufweist, durch die die Fixierung der Rovingstücke erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens an der

Oberfläche des Trägermaterials (1) dessen adhäsive Eigenschaften thermisch aktivierbar sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11, 12) in dem Bereich, in dem Sie in Kontakt mit dem Trägermaterial (1 , 6) kommen, adhäsiv ausgerüstet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass die adhäsive Ausrüstung der Rovingstücke (4, 7) nur punktuell ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung des textilen Halbzeuges unmittelbar zwischen den Rovingstücken (2, 4, 7, 10, 11 , 12) keine Verbindung erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach der Komplettierung der Rovinganordnung auf dem Trägermaterial der Verbund aus Trägermaterial und Rovinganordnung in die gewünschte räumliche Form drapiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der

Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 1 1 , 12) vor dem Drapieren auf dem Trägermaterial (1 , 6) nach entsprechender Vorausberechnung so erfolgt, dass diese nach dem Drapieren ihre bezüglich des vorgesehenen Kraftflusses im Enderzeugnis optimierte Lage einnehmen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Halbzeug nach dessen Formgebung für einen an sich bekannten Harzinfusionsprozess zur Ausbildung der Faserverbundstruktur vorbereitet wird.

10. Textiles Halbzeug für eine textile Faserverbundstruktur, das im Wesentlichen aus Rovingstücken (2, 4, 7, 10, 1 1 , 12) mit definierter Länge und Breite besteht, wobei die Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11 , 12) enderzeugnisabhängig an definierter Position abgelegt sind und sich überlappen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rovingstücke (2, 4, 7, 10, 11 , 12) in definiertem Winkel zu einer Bezugsachse zueinander benachbart jeweils in Reihen angeordnet und mit einem Ende auf einem plastisch verformbaren flächigen Trägermaterial (1 , 6) fixiert sind, und dass die Rovingstücke der angrenzenden Reihen so abgelegt sind, dass jeweils nicht mit dem

Trägermaterial (1 , 6) verbundene Enden der Rovingstücke die Rovingstücke der Nachbarreihen dachziegelartig oder schuppenförmig ohne gegenseitige Fixierung überlappen.