EP3227484A1 - Textiles halbzeug - Google Patents

Textiles halbzeug

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Publication number
EP3227484A1
EP3227484A1 EP15808128.1A EP15808128A EP3227484A1 EP 3227484 A1 EP3227484 A1 EP 3227484A1 EP 15808128 A EP15808128 A EP 15808128A EP 3227484 A1 EP3227484 A1 EP 3227484A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
thread
textile
product according
thermoplastic
reinforcing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15808128.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Brunk
Roy GLUTHMANN
Egon Gründig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hermes Schleifmittel GmbH and Co KG
Original Assignee
Hermes Schleifkoerper GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hermes Schleifkoerper GmbH and Co KG filed Critical Hermes Schleifkoerper GmbH and Co KG
Publication of EP3227484A1 publication Critical patent/EP3227484A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04B—KNITTING
    • D04B21/00—Warp knitting processes for the production of fabrics or articles not dependent on the use of particular machines; Fabrics or articles defined by such processes
    • D04B21/14—Fabrics characterised by the incorporation by knitting, in one or more thread, fleece, or fabric layers, of reinforcing, binding, or decorative threads; Fabrics incorporating small auxiliary elements, e.g. for decorative purposes
    • D04B21/16—Fabrics characterised by the incorporation by knitting, in one or more thread, fleece, or fabric layers, of reinforcing, binding, or decorative threads; Fabrics incorporating small auxiliary elements, e.g. for decorative purposes incorporating synthetic threads
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04B—KNITTING
    • D04B21/00—Warp knitting processes for the production of fabrics or articles not dependent on the use of particular machines; Fabrics or articles defined by such processes
    • D04B21/10—Open-work fabrics
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2403/00—Details of fabric structure established in the fabric forming process
    • D10B2403/02—Cross-sectional features
    • D10B2403/024—Fabric incorporating additional compounds
    • D10B2403/0241—Fabric incorporating additional compounds enhancing mechanical properties
    • D10B2403/02411—Fabric incorporating additional compounds enhancing mechanical properties with a single array of unbent yarn, e.g. unidirectional reinforcement fabrics
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2403/00—Details of fabric structure established in the fabric forming process
    • D10B2403/02—Cross-sectional features
    • D10B2403/024—Fabric incorporating additional compounds
    • D10B2403/0241—Fabric incorporating additional compounds enhancing mechanical properties
    • D10B2403/02412—Fabric incorporating additional compounds enhancing mechanical properties including several arrays of unbent yarn, e.g. multiaxial fabrics
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2505/00—Industrial
    • D10B2505/02—Reinforcing materials; Prepregs

Definitions

  • the invention relates to a textile semi-finished product, with at least one reinforcing layer, which stretched substantially ver ⁇ current, as a standing threads and / or as a full shot (parallel shot) formed filaments or groups of filaments, and in holding at least one individual threads or thread groups connecting thread, the mesh forms.
  • thermoplastic fiber composite structures which are produced by pressing under the influence of temperature. Thereby melting the thermoplastic matrix component and combines with the United ⁇ reinforcement layers to a high-strength composite material.
  • This manufacturing process is used for a large number of industrial parts produced in large series, in particular for those in shipbuilding, aircraft construction and vehicle construction.
  • Layers are each formed of juxtaposed, not interwoven threads and in these layers, a matrix component is introduced. This may con- sist of thermoplastic ⁇ plastic or thermosetting resin, metal or ceramic and advertising introduced in the form of threads, tapes, sheet-like layers, woven or nonwoven materials the. Finally, the reinforcing layers and the matrix components are sewn together.
  • DE 10 2008 063 545 A1 discloses a multiaxial fabric consisting of several layers of fiber strands. These run in a straight line and parallel to each other and have a different orientation in each position.
  • the fiber strands can consist of reinforcing fibers or thermoplastic threads or of mixtures of the same and are connected to one another by thermoplastic connecting threads. Because the thermoplastic tie yarns are made of the same material as the matrix precursor component, they both melt into a unitary composite material. Thus, the fiber composite material produced in the ⁇ se ne contains by no more connecting threads.
  • the invention is based on the object to provide a semi-textile ⁇ zeug of the type mentioned, from which can be produced composite structures with high strength and defined properties.
  • thermo ⁇ plastic matrix thread is provided which is fixed by stitches of the connecting thread and deflected thereto.
  • An inventive textile semi-finished product is a Halbfertigpro ⁇ domestic product, from which can be manufactured in a fiber composite workpiece or -Material under the action of pressure and / or temperature with melting thermoplastic constituents.
  • the reinforcing layer gives the semifinished product and a workpiece produced therefrom strength, in particular tensile strength in the axial direction of the elongated individual threads or suture courses. These are stretched and can thus absorb high tensile forces.
  • the semi-finished product according to the invention is thus not a woven fabric, but preferably a knitted fabric.
  • the elongated monofilaments or filament bundles are inventively formed as standing threads and / or as a full shot (parallel shot) from ⁇ .
  • the term Stehfaden is a technical term known from the terminology of warp knitting and refers to a linearly extending in the longitudinal direction, between two wales incorporated thread line without limitation by stitches or handles thereof.
  • the term full shot or parallel shot refers in transverse or oblique direction duri ⁇ fende thread sections that are not limited by meshes of the same thread. As a full shot the thread line runs over the entire width of the knitted fabric.
  • a group of threads usually comprises a plurality of individual threads, which may be the same or different and may consist of different materials in order to a total of a plurality of characteristics embossed by the respective thread materials properties.
  • the connecting thread holds monofilaments or thread bundles and connects them. Holding means that the connection thread at least contributes to the threads in question are spatially fixed to each other or be ⁇ limited in their freedom of movement.
  • the connecting thread pierces neither individual threads nor a group of threads and thus can not weaken their structure and strength.
  • the connecting thread can in particular cover and / or wrap around threads and thus contribute to the holding function.
  • the connecting thread can perform the holding function alone or in cooperation with other thread systems.
  • the connecting thread forms stitches.
  • the basic textile structure of a semifinished product according to the invention is that of a warp knitted fabric. Warp knitted fabrics are familiar to the person skilled in the art and are preferably produced on so-called Raschel machines for this application.
  • the inventively provided matrix thread is thermoplas ⁇ table.
  • the term thermoplastic is to be understood in the context of the invention as the property of a fabric or a thread material to melt in the course of further processing of the semifinished product under pressure and / or temperature to produce a composite.
  • the matrix thread completely or partially loses its thread structure and merges into a matrix material that binds and / or embeds the reinforcing fibers.
  • Suitable thermoplastic mate ⁇ materials preferably melt at temperatures between 150 and 300 ° C.
  • Suitable are thermoplastic polymers such. As polyester, polyamide or polypropylene. These materials can be introduced in all usual in textile technology and suitable for processing filamentary designs.
  • the reinforcing fibers or the filaments of the reinforcing layer do not melt under the processing conditions, or at most only to a small extent, substantially retain their shape and structure, thus causing the fiber reinforcement of the resulting fiber composite structure.
  • thermoplastic matrix thread is fixed by stitches of the connecting thread and deflected there. This means that the matrix thread in the warp knit is defined positio ⁇ ned.
  • the matrix thread can thus be selectively arranged so that it is at the desired location during melting and gives the desired effect, for example the defined and targeted embedding and / or bonding of two or more reinforcing layers arranged one above the other.
  • the state of the art is based on webs or nonwovens of reinforcing fibers, which are often unstable and materially inhomogeneous (for example with respect to the fiber density) and can lead to properties varying in properties in the finished product. Also, it may be problematic due to these fluctuations, the fibers largely largely and uniformly admit ⁇ bind in a thermoplastic matrix component. Incompletely wetted or penetrated by the matrix component fibers often form defects and starting ⁇ points for structural breaks or cracks in the composite material.
  • the reinforcing fibers of connecting threads are needled or sewn, while a bundle of threads forming a unit in principle can be pierced and weakened in their structure.
  • thermoplastic matrix filaments so that these are fixed by loops of thread compound thereto and vice ⁇ deflected causes a defined and uniform positioning of the arrangement and which melt the matrix material relative to the reinforcing layers and the fiber sheets.
  • a homogeneous matrix can form during the melting, which ensures a reliable and complete covering of all reinforcing fibers or threads by means of short flow paths.
  • the textile semifinished product has a reinforcing layer.
  • thermoplastic matrix thread in addition to the at least one thermoplastic matrix thread has a second, substantially parallel to the threads of the reinforcing layer extending thermoplastic thread, wherein the thermoplastic matrix thread between the reinforcing layer and the second thermoplastic thread runs.
  • the textile semifinished product has at least two reinforcement layers which run in planes which are substantially parallel to one another.
  • the filaments of these two reinforcing layers may be substantially parallel to each other when particularly high uniaxial strength in one direction is desired.
  • the yarns from we ⁇ juris two of the reinforcement layers to one another enclose an angle, preferably substantially orthogonal to each other ⁇ . In this way one obtains a biaxial structure with high strength in different directions.
  • At least one thermoplastic matrix thread runs between two planes of reinforcing layers. This causes the two reinforcing layers do not rest directly on each other, but rather they each have contact with the matrix thread and can be particularly homogeneously incorporated into the matrix material during melting. At least one thermoplastic matrix ⁇ plastic thread can be inventively designed as part of income.
  • thermoplastic matrix thread is preferably guided predominantly through intersection regions of yarn bundles of the at least two reinforcing layers. This causes just takes place when Aufschmel ⁇ zen in these intersection regions a good connection and embedding of the threads into the matrix in the area of the important for the structural strength of crossing points.
  • the connecting thread may also be formed thermoplastic and melt completely or partially in the course of further processing of the semifinished product into a composite workpiece. It can then be It can be It can be It can be seen that the melting temperatures of the thermoplastic matrix thread and the thermoplastic connecting thread differ from each other.
  • the melting temperature of the thermoplastic compound yarn is less than that of the thermoplastic matrix ⁇ plastic thread. In this way, melting of the connecting thread can first be achieved with a corresponding temperature control, the thermoplastic matrix thread being retained in its shape.
  • the composite of the yarn layer dissolves and the threads can in the sense of improved flexibility and adaptability to the
  • thermoplastic matrix thread takes place at a higher temperature and the textile structure has significantly lower stresses at this point in time.
  • thermoplasti ⁇ shear connecting thread has to be chosen, the melting temperature exceeds the melting temperature of the matrix yarn.
  • thermoplastic matrix thread between the mesh of the connecting thread partially rectilinear
  • the individual threads or bundles of threads contain fibers selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, basalt fibers, high-strength polymer fibers and mixtures thereof.
  • the fibers or filament bundles are processed with commercially available textile machines.
  • the invention further fiber composite workpieces or -Werkstoffe, obtainable by heating and forming a textile semi-finished product according to the invention.
  • these workpieces have a materially and mechanically homogeneous structure and can be reliably reproduced. Random strength losses due to heavily or less heavily damaged reinforcement layers or variations in the thermoplastic matrix content can largely be ruled out.
  • Figures 1-3 Schematically the structure of three
  • FIG. 1 shows a semifinished product according to the invention with two reinforcing layers arranged one above the other, namely warp threads and weft threads. These are formed from rectilinear and stretched, formed as standing threads 2 or as a full shot (parallel shot) 4 filaments or yarn sheets 2, 4. They are approximately orthogonal to each other and together form the reinforcing structure.
  • thermoplastic yarn 3 forms the thermoplastic matrix ⁇ component. He always runs between warp and weft thread, partially wraps around the stitches of the connecting thread 1 and is thereby fixed, but also deflected. Depending on machine NEN adjustment and choice of stitching, the course between the deflection points can be straight or curved, furthermore, the length between these points can be varied. Thereby, and by means of the choice of the fineness of the matrix thread, the proportion of matrix component can be varied and thus adapted to the requirements of the intended specific use.
  • the present embodiment forms a stable, largely distortion-free, consisting of exactly positioned textile elements multi-layer composite. It enables Drapie ⁇ ren in three-dimensional shapes and during the melting a good sliding of the reinforcement layers independently.
  • Raschelmaschinen are suitable with Magazinschuss issued and at least 3 guide bars, wherein a guide bar forms stitches.
  • the product shown in FIG. 1 was produced on a Raschel machine with weft insertion RS2 (3) MSUN 150 "18E year 1993 of the company Karl Mayer Textilmaschinenfabrik GmbH.
  • Guide bar 1 knitting thread connecting thread
  • Guide bar 2 reinforcement roving, textile glass 300 tex
  • Basis weight of the semi-finished textile product approx. 642 g / m 2
  • thermoplastic matrix thread (L3) By opposing LI (guide bar 1) to L3, the thermoplastic matrix thread (L3) is caught by the knitting line (LI) so as to be under 2 reinforcing rovings of the L2, covering a reinforcing roving in the weft per change of direction.
  • a change of direction of the thermoplastic Ma ⁇ trixfadens (L3) is always after the completion of a mesh ⁇ row instead. Due to the arrangement of the guide bar L3 of the thermoplastic matrix thread is always placed between the reinforcement rovings ⁇ L2 and the shot Verstärkungsrovings.
  • the knitting thread of the guide bar LI connects the reinforcement rovings (L2 and weft) and the thermoplastic matrix thread (L3) into a flat structure. Due to the selected machine and raw material parameters, a fiber volume fraction of the reinforcing fibers of approx. 40% can be achieved in the textile semi-finished product.
  • FIG. 2 Darge ⁇ represents. In comparison to the structure shown in FIG. 1, an additional thermoplastic thread is introduced in the warp direction 5. As a result, the proportion of thermoplastic material can be increased independently of the thermoplastic matrix thread 3 as part shot.
  • the reinforcing fiber strand in the warp direction 2 runs approximately at right angles to the reinforcing fiber strand in the weft direction 4, wherein both fiber strands are fixed by the connecting thread 1 which is thermoplastic in this embodiment. Since the additional thermoplastic thread 5 is held by the thermoplastic matrix thread 3 between the reinforcing strand in the weft 4 and the reinforcing strand in the warp direction 2, a reliable penetration of the reinforcing layers with thermoplastic material is ensured at their crossing points.
  • thermoplastic yarn 3 extends as a matrix component Zvi ⁇ rule the reinforcing fiber strands. Because the thermoplastic connecting thread 1 does not fix the reinforcing fiber strand 6, another thermoplastic thread 7 is introduced as a partial weft.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Woven Fabrics (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein textiles Halbzeug, mit wenigstens einer Verstärkungsschicht, die im Wesentlichen gestreckt verlaufende Einzelfäden bzw. Fadenscharen (2, 4, 6) aufweist, und mit wenigstens einem Einzelfäden bzw. Fadenscharen haltenden Verbindungsfaden (1), der Maschen bildet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens ein thermoplastischer Matrixfaden (3) vorhanden ist, der durch Maschen des Verbindungsfadens (1) fixiert und daran umgelenkt ist.

Description

Textiles Halbzeug
Die Erfindung betrifft ein textiles Halbzeug, mit wenigstens einer Verstärkungsschicht, die im Wesentlichen gestreckt ver¬ laufende, als Stehfäden und/oder als Vollschuss (Parallel- schuss) ausgebildete Einzelfäden bzw. Fadenscharen aufweist, und mit wenigstens einem Einzelfäden bzw. Fadenscharen haltenden Verbindungsfaden, der Maschen bildet.
Benötigt werden derartige Erzeugnisse zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbundstrukturen, welche durch Pressen unter Temperatureinwirkung entstehen. Dabei schmilzt die thermoplastische Matrixkomponente und verbindet sich mit den Ver¬ stärkungsschichten zu einem hochfesten Verbundmaterial. Damit ist die Fertigung von komplexen, mehrdimensional geformten Bauteilen hoher Festigkeit und Schlagzähigkeit möglich. Zur Anwendung kommt dieses Herstellverfahren für eine Vielzahl industriell in Großserien hergestellter Formteile, insbesondere für solche im Schiffs-, Flugzeug- und Fahrzeugbau.
In der EP 0 361 796 A2 wird ein formbares textiles Halbzeug beschrieben, wobei eine Mehrzahl von übereinander liegenden
Schichten jeweils aus nebeneinander liegenden, nicht miteinander verwebten Fäden gebildet werden und in diese Schichten eine Matrixkomponente eingebracht wird. Diese kann aus thermo¬ plastischem oder duroplastischem Harz, Metall oder Keramik be- stehen und in Form von Fäden, Bändern, folienartigen Schichten, gewebten oder vliesartigen Materialien eingebracht wer- den. Schließlich werden die Verstärkungsschichten und die Matrixkomponenten miteinander vernäht.
DE 10 2008 063 545 AI offenbart ein Multiaxialgelege aus meh- reren Lagen von Fasersträngen. Diese verlaufen in einer Lage geradlinig und parallel zueinander und weisen in jeder Lage eine voneinander abweichende Ausrichtung auf. Die Faserstränge können sowohl aus Verstärkungsfasern oder thermoplastischen Fäden oder aus Mischungen derselben bestehen und sind durch thermoplastische Verbindungsfäden miteinander verbunden. Weil die thermoplastischen Verbindungsfäden aus dem gleichen Material wie die Matrixvorstufenkomponente bestehen, schmelzen beide zu einem einheitlichen Verbundmaterial auf. Der auf die¬ se Weise hergestellte Faserverbundwerkstoff enthält somit kei- ne Verbindungsfäden mehr.
In der DE 10 2012 007631 AI wird vorgeschlagen, eine textile Mehrschicht-Verstärkungsstruktur mit integrierter thermoplastischer Matrix derart aufzubauen, dass bei einem Multiaxialge- lege zwischen unidirektional ausgerichteten Verstärkungs¬ schichten thermoplastisches Fasermaterial in Form von Faserv¬ lies angeordnet wird. Die Schichten der Verstärkungsfäden wie auch der Faservliese werden schließlich durch Verbindungsfäden fixiert .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein textiles Halb¬ zeug der eingangs genannten Art zu schaffen, aus dem sich Verbundstrukturen mit hoher Festigkeit und definierten Eigenschaften herstellen lassen.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass wenigstens ein thermo¬ plastischer Matrixfaden vorgesehen ist, der durch Maschen des Verbindungsfadens fixiert und daran umgelenkt ist. Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Be¬ griffe erläutert. Ein erfindungsgemäßes textiles Halbzeug ist ein Halbfertigpro¬ dukt, aus dem sich unter Einwirkung von Druck und/oder Temperatur unter Aufschmelzen thermoplastischer Bestandteile ein Faserverbundwerkstück bzw. -Werkstoff herstellen lässt. Die Verstärkungsschicht verleiht dem Halbzeug und einem daraus hergestellten Werkstück Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit in Axialrichtung der gestreckt verlaufenden Einzelfäden bzw. Fadenscharen. Diese verlaufen gestreckt und können dadurch hohe Zugkräfte aufnehmen. Das erfindungsgemäße Halbzeug ist so- mit kein Gewebe, sondern bevorzugt ein Gewirke. Die gestreckt verlaufenden Einzelfäden bzw. Fadenscharen sind erfindungsgemäß als Stehfäden und/oder als Vollschuss ( Parallelschuss ) aus¬ gebildet. Der Begriff Stehfaden ist ein aus der Terminologie der Kettenwirkerei bekannter Fachbegriff und bezeichnet eine in Längsrichtung geradlinig verlaufende, zwischen zwei Maschenstäbchen eingebundene Fadenstrecke ohne Begrenzung durch Maschen oder Henkel derselben. Der Begriff Vollschuss bzw. Parallelschuss bezeichnet in Quer- oder Schrägrichtung verlau¬ fende Fadenstrecken, die nicht durch Maschen desselben Fadens begrenzt sind. Als Vollschuss verläuft die Fadenstrecke über die gesamte Breite des Gewirkes. Die Ausbildung als Stehfaden und/oder als Vollschuss ( Parallelschuss ) erlaubt es diesen Ein¬ zelfäden bzw. Fadenscharen, als Verstärkungsschicht hohe Kräf¬ te, insbesondere Zugkräfte, aufzunehmen.
Eine Fadenschar umfasst in der Regel eine Mehrzahl einzelner Fäden, die gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein können und aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, um die- ser Fadenschar insgesamt eine Mehrzahl von durch die jeweiligen Fadenmaterialien geprägten Eigenschaften zu verleihen.
Der Verbindungsfaden hält Einzelfäden bzw. Fadenscharen und verbindet diese. Halten bedeutet, dass der Verbindungsfaden zumindest dazu beiträgt, dass die betreffenden Fäden räumlich zueinander fixiert oder in ihrer Bewegungsfreiheit einge¬ schränkt werden. Der Verbindungsfaden durchsticht weder einzelne Fäden noch eine Fadenschar und kann dadurch deren Struk- tur und Festigkeit nicht schwächen. Der Verbindungsfaden kann insbesondere Fäden überdecken und/oder umschlingen und so zu der Haltefunktion beitragen. Der Verbindungsfaden kann die Haltefunktion allein oder im Zusammenwirken mit anderen Fadensystemen ausüben.
Der Verbindungsfaden bildet Maschen. Die textile Grundstruktur eines erfindungsgemäßen Halbzeugs ist die eines Kettengewirkes. Kettengewirke sind dem Fachmann geläufig und werden für diesen Anwendungsfall vorzugsweise auf sogenannten Raschelma- schinen hergestellt.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Matrixfaden ist thermoplas¬ tisch. Der Begriff thermoplastisch ist im Zusammenhang mit der Erfindung zu verstehen als die Eigenschaft eines Stoffes bzw. eines Fadenmaterials, im Verlauf der Weiterverarbeitung des Halbzeuges unter Druck- und/oder Temperaturbeaufschlagung zu schmelzen, um einen Verbund zu erzeugen. Der Matrixfaden verliert in diesem Zuge ganz oder teilweise seine Fadenstruktur und geht über in ein die Verstärkungsfasern bindendes und/oder einbettendes Matrixmaterial. Geeignete thermoplastische Mate¬ rialien schmelzen vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 150 und 300 °C. Geeignet sind thermoplastische Polymere wie z. B. Polyester, Polyamid oder auch Polypropylen. Diese Materialien können in allen in der Textiltechnik üblichen und für die Verarbeitung geeigneten fadenförmigen Ausführungen eingebracht werden. Hingegen schmelzen die Verstärkungsfasern bzw. die Fäden der Verstärkungsschicht unter den Verarbeitungsbedingungen nicht oder allenfalls zu geringen Teilen, behalten ihre Form und Struktur im Wesentlichen bei und bewirken so die Faserverstärkung der erhaltenen Faserverbundstruktur.
Der thermoplastische Matrixfaden wird durch Maschen des Ver- bindungsfadens fixiert und daran umgelenkt. Dies bedeutet, dass der Matrixfaden in dem Kettengewirke definiert positio¬ niert ist. Der Matrixfaden kann somit gezielt so angeordnet werden, dass er beim Aufschmelzen sich am gewünschten Ort befindet und die gewünschte Wirkung ergibt, beispielsweise das definierte und gezielte Einbetten und/oder Verkleben von zwei oder mehr übereinander angeordneten Verstärkungsschichten.
Der beschriebene Stand der Technik weist zwei wesentliche Nachteile auf, die die Erfindung erkannt und durch die erfin- dungsgemäße Struktur des Halbzeugs behoben hat.
Zum einen geht der Stand der Technik aus von Gelegen oder Vliesen von Verstärkungsfasern, die häufig instabil und stofflich inhomogen (bspw. hinsichtlich der Faserdichte) sind und im Fertigprodukt zu in den Eigenschaften variierenden Strukturen führen können. Auch kann es aufgrund dieser Schwankungen problematisch sein, die Fasern weitgehend vollständig und gleichmäßig in eine thermoplastische Matrixkomponente einzu¬ binden. Unvollständig von der Matrixkomponente benetzt oder durchdrungene Fasern bilden häufig Fehlstellen und Ausgangs¬ punkte für Strukturbrüche bzw. Risse des Verbundwerkstoffs. Zum zweiten werden im Stand der Technik die Verstärkungsfasern von Verbindungsfäden durchnadelt bzw. vernäht, dabei kann eine im Grundsatz eine Einheit bildende Fadenschar durchstochen und in ihrer Struktur geschwächt werden. Dies schwächt die Festig- keit des erhaltenen Verbundwerkstoffs. Das Durchstechen er¬ folgt bei diesen Verfahren unregelmäßig und nicht beinfluss- bar, so dass unvorhersehbare und lokal schwankende Beeinträch¬ tigungen der Festigkeit auftreten können. Die erfindungsgemäß vorgesehene Struktur eines Kettengewirkes (mit oder ohne Schusseintrag) , bei der die Verbindungsfäden Maschen bilden, vermeidet bedingt durch das Herstellungsprinzip sicher ein Durchstoßen v von einzelnen Fäden bzw. einer Fadenschar und erhält somit deren volle Strukturfestigkeit. Beim Kettenwirken ist sichergestellt, dass Verbindungsfäden die Ebene der Verstärkungsfasern bzw. Fadenscharen stets in den Freiräumen zwischen den Einzelfäden bzw. Fadenscharen durchdringen und diese somit nicht durchstoßen oder durchsto¬ chen werden.
Das Einbringen thermoplastischer Matrixfäden, so dass diese durch Maschen des Verbindungsfadens fixiert und daran umge¬ lenkt sind, bewirkt eine definierte und gleichmäßige Anordnung und Positionierung des aufschmelzenden Matrixmaterials relativ zu den Verstärkungsschichten und deren Fadenscharen. Dadurch kann sich beim Aufschmelzen eine homogene Matrix ausbilden, die durch kurze Fließwege eine zuverlässige und vollständige Umhüllung aller Verstärkungsfasern bzw. Fäden gewährleistet. Erfindungsgemäß kann somit ein textiles Halbzeug und daraus ein Faserverbundwerkstoff mit definierter, hoher und gleich¬ bleibender Qualität und mechanischer Belastbarkeit hergestellt werden . Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist das tex- tile Halbzeug eine Verstärkungsschicht auf. Dies bedeutet, dass es lediglich in einer Ebene gestreckt verlaufende Fäden bzw. Fadenscharen aufweist, die bevorzugt im Wesentlichen par- allel verlaufen und so eine uniaxiale Struktur bilden, die be¬ sondere Zugfestigkeit in dieser Richtung verleiht. Der wenigs¬ tens eine thermoplastische Matrixfaden ist bei dieser Ausfüh¬ rungsform der Erfindung als Teilschuss ausgebildet. Bei Kettengewirken ist ein Schuss eine in Quer-, oder Schrägrichtung verlaufende Fadenstrecke, die nicht durch Maschen desselben Fadens begrenzt ist. Ein Teilschuss verläuft ledig¬ lich über einen Teil der Breite des Gewirkes. Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sie eine Verstärkungsschicht aufweist und zusätzlich zu dem wenigstens einen thermoplastischen Matrixfaden einen zweiten, im Wesentlichen parallel zu den Fäden der Verstärkungsschicht verlaufenden thermoplastischen Faden aufweist, wobei der thermoplastische Matrixfaden zwischen der Verstärkungsschicht und dem zweiten thermoplastischen Faden verläuft. Durch den im Wesentlichen parallel zu den Fäden der Verstärkungsschicht verlaufenden zweiten thermoplastischen Faden kann der Anteil thermoplastischen Materials im aus dem Halbzeug er- hältlichen Verbundwerkstoff erhöht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das textile Halbzeug wenigstens zwei Verstärkungsschichten auf, die in zueinander im Wesentlichen parallelen Ebenen verlaufen. Die Fäden dieser beiden Verstärkungsschichten können im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wenn besonders große uniaxiale Festigkeit in einer Richtung gewünscht ist. In die¬ sem Fall kann es dazu kommen, dass der Verbindungsfaden die zweite Verstärkungsschicht nicht fixiert. Es kann dann erfin¬ dungsgemäß vorgesehen sein, dass ein zweiter thermoplastischer Matrixfaden als Teilschuss auf der Außenseite dieser zu fixie¬ renden zweiten Verstärkungsschicht ausgebildet ist.
In der Regel ist es jedoch bevorzugt, dass die Fäden von we¬ nigstens zwei der Verstärkungsschichten zueinander einen Winkel einschließen, vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal zu¬ einander verlaufen. Auf diese Weise erhält man eine biaxiale Struktur mit großer Festigkeit in verschiedenen Richtungen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn bei dieser Ausführungsform wenigstens ein thermoplastischer Matrixfaden zwischen zwei Ebenen von Verstärkungsschichten verläuft. Dies bewirkt, dass die beiden Verstärkungsschichten nicht unmittelbar aufeinander aufliegen, vielmehr haben diese jeweils Kontakt zu dem Matrixfaden und können beim Aufschmelzen besonders homogen in das Matrixmaterial eingebunden werden. Wenigstens ein thermo¬ plastischer Matrixfaden kann erfindungsgemäß als Teilschuss ausgebildet sein.
In einer weiteren bevorzugten Variante wird wenigstens ein thermoplastischer Matrixfaden bevorzugt überwiegend durch Kreuzungsbereiche von Fadenscharen der wenigstens zwei Ver- Stärkungsschichten geführt. Dies bewirkt, dass beim Aufschmel¬ zen in diesen Kreuzungsbereichen eine gute Verbindung und Einbettung der Fäden in die Matrix gerade im Bereich der für die strukturelle Festigkeit wichtigen Kreuzungspunkte erfolgt. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Verbindungsfaden ebenfalls thermoplastisch ausgebildet sein und im Zuge der Weiterverarbeitung des Halbzeugs zu einem Verbundwerkstück ganz oder teilweise aufschmelzen. Es kann dann vor- gesehen sein, dass die AufSchmelztemperaturen von thermoplastischem Matrixfaden und thermoplastischem Verbindungsfaden voneinander abweichen. Bei einer ersten Variante ist die Schmelztemperatur des thermoplastischen Verbindungsfadens geringer als die des thermo¬ plastischen Matrixfadens. Damit kann bei einer entsprechenden Temperaturführung zunächst das Schmelzen des Verbindungsfadens erreicht werden, wobei der thermoplastische Matrixfaden in seiner Form erhalten bleibt. In der Folge löst sich der Verbund des Fadengeleges und die Fäden können sich im Sinne einer verbesserten Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an die
Pressform verschieben. Das Aufschmelzen des thermoplastischen Matrixfadens erfolgt bei einer höheren Temperatur und die tex- tile Struktur weist zu diesem Zeitpunkt deutlich geringere Spannungen auf.
Bei einer speziellen Geometrie der Pressform kann es vorteilhaft sein, wenn der textile Verbund beim Schmelzen der Matrix- komponente noch besteht. In diesem Fall ist ein thermoplasti¬ scher Verbindungsfaden zu wählen, dessen Schmelztemperatur die Schmelztemperatur des Matrixfadens übersteigt.
Erfindungsgemäß kann der thermoplastische Matrixfaden zwischen den Maschen des Verbindungsfadens teilweise geradlinig
und/oder bogig verlaufen.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Einzelfäden bzw. Fadenscharen Fasern enthalten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Carbonfasern, Basaltfasern, hochfesten Polymerfasern sowie Mischungen daraus. Bevorzugt sind die Fasern bzw. Fadenscharen mit marktüblichen Textilmaschinen verarbeitbar . Gegenstand der Erfindung sind ferner Faserverbundwerkstücke bzw. -Werkstoffe, erhältlich durch Erwärmen und Formen eines erfindungsgemäßen textilen Halbzeugs.
Diese Werkstücke weisen herstellungs- und konstruktionsbedingt eine stofflich und mechanisch homogene Struktur auf und sind zuverlässig reproduzierbar. Zufallsbedingte Festigkeitsverlus¬ te durch stark oder weniger stark beschädigte Verstärkungs- schichten oder Schwankungen des thermoplastischen Matrixanteils können weitgehend ausgeschlossen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
Figuren 1-3: Schematisch die Struktur von drei
erfindungsgemäßen textilen Halbzeugen.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Halbzeug mit zwei überein- ander angeordneten Verstärkungsschichten, nämlich Kettfäden und Schussfäden. Diese werden aus geradlinig und gestreckt verlaufenden, als Stehfäden 2 bzw. als Vollschuss ( Parallelschuss ) 4 ausgebildeten Einzelfäden bzw. Fadenscharen 2, 4 gebildet. Sie verlaufen etwa orthogonal zueinander und bilden zusammen die Verstärkungsstruktur.
Deren Zusammenhalt als textiles Flächengebilde wird durch den Verbindungsfaden 1 gewährleistet. Der thermoplastische Faden 3 bildet die thermoplastische Matrix¬ komponente. Er verläuft stets zwischen Kett- und Schussfaden, umschlingt teilweise die Maschen des Verbindungsfadens 1 und wird dadurch fixiert, aber auch umgelenkt. Abhängig von Maschi- neneinstellung und Wahl der Maschenlegung kann der Verlauf zwischen den Umlenkpunkten geradlinig oder bogig sein, weiterhin kann die Länge zwischen diesen Punkten variiert werden. Dadurch und mittels der Wahl der Feinheit des Matrixfadens kann der An- teil Matrixkomponente variiert und damit den Erfordernissen der beabsichtigten spezifischen Verwendung angepasst werden.
Konstruktionsbedingt durchdringen die Verbindungsfäden 1 die Ebene der Verstärkungsfaserstränge 2 und 4 stets in den Frei- räumen zwischen deren Einzelfäden bzw. Fadenscharen, so dass diese nicht durch Durchstechen und Durchführen des Verbindungs¬ fadens beschädigt werden.
Die vorliegende Ausführungsform bildet einen stabilen, weitge- hend verzugsfreien, aus exakt positionierten textilen Elementen bestehenden Mehrschicht-Verbund. Er ermöglicht das Drapie¬ ren in dreidimensionalen Formen und beim Aufschmelzen ein gutes Gleiten der Verstärkungsschichten unabhängig voneinander. Für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs eignen sich Raschelmaschinen mit Magazinschusseinrichtung und mindestens 3 Legebarren, wobei eine Legebarre Maschen bildet.
Bekannte Hersteller dieser Textilmaschinen sind z.B. die Fir- men Karl Mayer Malimo und Liba (aktuell Karl Mayer Liba Tex¬ tilmaschinenfabrik GmbH)
Das in Fig. 1 gezeigte Produkt wurde auf einer Raschelmaschine mit Schusseintrag RS2 (3) MSUN 150" 18E Bj . 1993 der Fa. Karl Mayer Textilmaschinenfabrik GmbH hergestellt.
Materialkomponenten und Maschinenparameter: Legebarre 1 : Wirkfaden Verbindungsfaden
PP-Garn 84 dtex
Legung: 0 1 / 2 -1 //
Einzug: voll
Maschendichte: 7,13 M/cm
Legebarre 2: Verstärkungsroving, Textilglas 300 tex
Einzug: voll
Legebarre 3: thermoplastischer Matrixfaden, PP-Garn 1100 dtex
Einzug: voll
Schuss : Verstärkungsroving, Textilglas 300 tex
Einzug: voll
Flächengewicht des textilen Halbzeuges: ca. 642 g/m2
Durch die gegenlegige Legung LI (Legebarre 1) zu L3 wird der thermoplastische Matrixfaden (L3) von dem Wirkfaden (LI) so gefangen, dass er unter 2 Verstärkungsrovings der L2 liegt und dabei pro Richtungswechsel einen Verstärkungsroving im Schuss überdeckt. Ein Richtungswechsel des thermoplastischen Ma¬ trixfadens (L3) findet immer nach dem Abschluss einer Maschen¬ reihe statt. Auf Grund der Anordnung der Legebarre L3 wird der thermoplastische Matrixfaden immer zwischen den Verstärkungs¬ rovings der L2 und den Schuss Verstärkungsrovings gelegt.
Der Wirkfaden der Legebarre LI (Verbindungsfaden) verbindet die Verstärkungsrovings (L2 und Schuss) und den thermoplasti- sehen Matrixfaden (L3) zu einem Flächengebilde. Durch die gewählten Maschinen- und Rohstoffparameter lässt sich im textilen Halbzeug ein Faservolumenanteil der Verstärkungsfasern von ca. 40 % erreichen. Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform ist in Fig. 2 darge¬ stellt. Im Vergleich zur Struktur dargestellt in Fig. 1 ist ein zusätzlicher thermoplastischer Faden in Kettrichtung 5 eingebracht. Dadurch kann der Anteil thermoplastischen Materials erhöht werden unabhängig vom thermoplastischen Matrixfaden 3 als Teilschuss. Der Verstärkungsfaserstrang in Kettrichtung 2 verläuft annähernd rechtwinklig zum Verstärkungsfaserstrang in Schussrichtung 4, wobei beide Faserstränge durch den in dieser Ausführungsform thermoplastischen Verbindungsfaden 1 fixiert werden. Weil der zusätzliche thermoplastische Faden 5 durch den thermoplastische Matrixfaden 3 zwischen dem Verstärkungsstrang in Schussrichtung 4 und dem Verstärkungsstrang in Kettrichtung 2 gehalten wird, ist eine zuverlässige Durchdringung der Verstärkungsschichten mit thermoplastischem Material an deren Kreuzungspunkten gewährleistet.
Insbesondere für Anwendungen mit Zugbelastungen in einer Vorzugsrichtung kann eine weitere Ausführungsform zweckmäßig sein. Entsprechend Fig. 3 kommt ein Kettengewirke ohne Schuss¬ eintrag zum Einsatz. Demnach bestehen die Verstärkungskompo- nenten aus dem Verstärkungsfaserstrang in Kettrichtung 2 und dem weiteren Verstärkungsfaserstrang in Kettrichtung 6, jeweils auf unterschiedlichen Ebenen befindlich. Auch hier verläuft der thermoplastische Faden 3 als Matrixkomponente zwi¬ schen den Verstärkungsfasersträngen. Weil der thermoplastische Verbindungsfaden 1 den Verstärkungsfaserstrang 6 nicht fixiert, wird ein weiterer thermoplastischer Faden 7 als Teilschuss eingebracht.

Claims

Patentansprüche
Textiles Halbzeug, mit wenigstens einer Verstärkungs¬ schicht, die im Wesentlichen gestreckt verlaufende, als Stehfäden und/oder als Vollschuss ( Parallelschuss ) ausge¬ bildete Einzelfäden bzw. Fadenscharen (2, 4, 6) aufweist, und mit wenigstens einem Einzelfäden bzw. Fadenscharen haltenden Verbindungsfaden (1), der Maschen bildet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein thermoplasti¬ scher Matrixfaden (3) vorgesehen ist, der durch Maschen des Verbindungsfadens (1) fixiert und daran umgelenkt ist.
Textiles Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Verstärkungsschicht aufweist und der wenigs¬ tens eine thermoplastische Matrixfaden (3) als Teilschuss ausgebildet ist.
Textiles Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Verstärkungsschicht aufweist und zusätzlich zu dem wenigstens einen thermoplastischen Matrixfaden (3) einen zweiten, im Wesentlichen parallel zu den Fadenscharen der Verstärkungsschicht verlaufenden thermoplastischen Faden (5) aufweist, wobei der thermoplastische Matrixfaden (3) zwischen der Verstärkungsschicht und dem zweiten thermoplastischen Faden (5) verläuft.
Textiles Halbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens zwei Verstärkungsschichten aufweist, die in zueinander im Wesentlichen parallelen Ebenen verlaufen .
Textiles Halbzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine thermoplastische Matrixfaden (3) zwischen zwei Ebenen von Verstärkungsschichten verläuft.
Textiles Halbzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine thermoplastische Matrixfaden (3) als Teilschuss ausgebildet ist.
Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Einzelfäden bzw. Fadenscha¬ ren (2, 4, 6) von wenigstens zwei der Verstärkungsschichten zueinander einen Winkel einschließen, vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal zueinander verlaufen.
Textiles Halbzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein thermoplastischer Matrixfaden (3) durch Kreuzungsbereiche von Einzelfäden bzw. Fadenscharen (2, 4, 6) der wenigstens zwei Verstärkungsschichten verläuft .
Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Einzelfäden bzw. Fadenscha¬ ren (2, 6) von wenigstens zwei der Verstärkungsschichten im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Textiles Halbzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung der Verstärkungsschichten gegeneinander ein zweiter thermoplastischer Matrixfaden (7) als Teilschuss auf der Außenseite der zu fixierenden Verstärkungs¬ schicht ausgebildet ist.
Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da¬ durch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verbindungsfaden (1) thermoplastisch ausgebildet ist.
12. Textiles Halbzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperaturen von thermoplastischem Matrixfaden (3, 7) und thermoplastischem Verbindungsfaden (1) voneinander abweichen.
13. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da¬ durch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Matrixfa¬ den (3) zwischen den Maschen des Verbindungsfadens teil¬ weise geradlinig und/oder bogig verläuft.
14. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Einzelfäden bzw. Fadenscha¬ ren (2, 4, 6) Fasern enthalten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Carbonfasern, Basaltfasern, hochfesten Polymerfasern sowie Mischungen daraus.
15. Faserverbundwerkstück, erhältlich durch Erwärmen und Formen eines textilen Halbzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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