WO2009053129A1 - Zweiseiten-einnadel-unterfaden-nähtechnik - Google Patents

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    • Y10T428/24033—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including stitching and discrete fastener[s], coating or bond

Definitions

  • the invention relates to a reinforcing process for core composites, characterized in that the introduction of a through-hole in the core material is carried out separately from the introduction of the reinforcing structure.
  • the invention is suitable for reinforcing core composite structures.
  • the core composite structure may preferably be made of fiber-plastic composite with outer layers of textile semifinished products (eg, fabrics, scrims, mats, etc.), a core material (eg, polymeric foam), and a polymeric matrix material (thermoplastic or thermoset).
  • Core composites are layered structures consisting of relatively thin top and bottom cover layers as well as a relatively thick core layer of low bulk density.
  • the transverse eg tensile and tensile stiffness and strength in the z-direction, shear stiffness and strength in the xz and yz plane, peel resistance between the cover layer and the core, fail-safe behavior
  • the mechanical properties of core composite structures in the direction of the plate plane eg stiffness and strength
  • the mechanical properties of core composite structures in the direction of the plate plane can be significantly increased with the aid of reinforcing elements penetrating in the thickness direction.
  • the principle of optimized density distribution in structural foam or in high-strength, lightweight composite materials is z. B. realized in sandwich panels with a shear-resistant composite of a foam core with both sides tensile cover layers. There are several ways to create a permanent bond. Depending on the stress z. B. glued or armored.
  • the reinforcement is the reinforcement of one object by another, which has a higher compressive or tensile strength.
  • 6,187,411 describes sewing in the two-side sewing method, in which an upper thread is inserted from a cover layer of the core composite with a needle into the layer structure and held in the vicinity of the other cover layer by a lower thread in the layer structure. This results in the withdrawal of the needle from the layer structure a loop.
  • a sewing method for reinforcing foams is disclosed, which after the production of a through hole by means of a needle, the fiber bundles is pulled through the foam material and then cut flush or applied to the surface and optionally glued. During further processing, this leads to slipping out of the fibers from the cover layer, which greatly reduces composite strength but also leads to surface undulation.
  • US 5624622 discloses reinforcing a foam core composite by warp stitching or lock stitch sewing.
  • the thread is entrained when the needle penetrates. During the insertion into the foam, the thread extends over the entire length parallel to the needle. The hole size of the puncture hole is thus determined by the needle diameter and the thickness of the thread.
  • the core hole diameter and the fiber volume content of the sewing thread in the core hole can be determined by microscopic examinations.
  • experimental studies on using the lockstitch sewing technology and using a sewing needle with a diameter of 1, 2 mm and an aramid yarn with a line weight of 62 g / km sewn core composite structures that the diameter of the resulting resin column in the core material (approx 1.7 mm) is greater than the determined core hole diameter of one impregnated core composite structure with a single puncture.
  • the reason for this is that adjacent cell walls in the area of the sewing needle diameter are destroyed by the piercing of the sewing needle. In these now open pores with an average diameter of approx. 0.7 mm, resin can penetrate in the subsequent infiltration process (Fig. A).
  • Figure A Mechanism of the resulting resin column using lockstitch sewing technology and the dependence of the suture volume content within a core hole on the number of sutures in the core hole
  • the resulting diameter in the polymeric core material when using more conventional production methods depends mainly on the sewing needle diameter used, the cross-sectional area of the sewing thread and on the pore diameter of the polymeric rigid foam used. Since sewing needle and sewing thread at the same time penetrate into the core composite structure in all previously known reinforcement methods, an unfavorable ratio of incorporated cross-sectional area of the reinforcement elements to the size of the core hole diameter always occurs. High fiber volume contents in the core hole diameter, similar to the fiber volume content of the outer layers (> 50%), can thus not be achieved with conventional reinforcement methods.
  • the aim must be to strive for the highest possible fiber volume content of the reinforcement in the core hole diameter.
  • the high resin content in the Core hole diameter for an increase in weight, which is not tolerated especially in aerospace.
  • the invention is based on the object of improving the mechanical properties of core composite structures by introducing reinforcing elements in the thickness direction of the core composite structure (z direction), with a high fiber volume content of the reinforcement in the core hole diameter.
  • the weight should not be greatly increased.
  • reinforcement of core composites takes place by a) introducing a through-hole in the core material separated from the introduction of the reinforcement structure, b) retrieving the reinforcement structure after inserting the through-hole with the aid of a hook, gripper or needle and is introduced into the core composite structure by an upward and rotational movement or upward movement of a slider-secured gripper, hook or needle; c) after insertion of the through-hole and subsequent introduction of the reinforcement structure, the needle the gripper or the hook with or without slide (gripper system) and without or with simultaneous rotation in sewing direction to the next puncture hole is passed, wherein the next puncture the reinforcing structure on the needle, the hook or the gripperrousg Concentr and after piercing the core material the reinforcing material below eriger side, wherein it by the upward and rotational movement of the gripper, hook or needle or the upward movement of the / secured with a slider gripper, hook or needle leads to an entanglement between the top and bottom reinforcing structure.
  • a closable hook needle for example provided with a flap or a slider used, so can be dispensed with the rotational movements.
  • This novel sewing technique can also be used for preforming as well as for attaching additional component components (eg stringers, frames, etc.) to the core composite structure.
  • Shifting of the cover layer can be prevented, which usually meant that the pins have slipped out of the cover layer.
  • the resulting ondulation of the cover layer can also be prevented by the method according to the invention.
  • the permanent bond of the cover layers with the core material now also allows easy transport of the composite material.
  • the use of foams, felts, or other fibrous webs results in improved thermal and / or acoustic insulation properties.
  • the core composite structure can be impregnated with a thermosetting or thermoplastic matrix material in a liquid composite molding process. According to the invention core composites are obtained.
  • Drawing 1 illustrates the sewing process.
  • a hook, gripper or needle (gripper system) (1) with the reinforcing material (3) such as sewing thread or roving is used for reinforcing core composites ( Figure I).
  • Hook, gripper or needle (1) are guided with the Am istsmaterial (3) with simultaneous rotational movement by 180 ° to the next puncture site ( Figure I and II). If hooks, needles or grippers are secured with a slide, the rotary motion can be dispensed with.
  • Hook, gripper or needle (1) are introduced to introduce a through hole in the core material (2) or optionally by one or more cover layers and the core material (Figure III). In this case, the reinforcing material is not carried along. The reinforcing material slides past the hook, needle or gripper ( Figure IV) and remains on top of the core material.
  • Needle, hook or gripper get below the reinforcing material, which is then then introduced by an upward and rotational movement in the core composite structure (Figure IV).
  • Figure IV Are hook, needle or gripper secured with a slider, so can be dispensed with the rotational movement in the upward movement again.
  • Hook, gripper or needle without slide are guided with a rotary movement in sewing direction to the next puncture site ( Figure I).
  • Hook, gripper or needle with slide are guided in the sewing direction to the next puncture site without any rotational movement.
  • the material to be sewn or the reinforcing unit is transported on to the next puncturing position and the reinforcing process is then repeated there.
  • the reinforcing structure By retracting the reinforcing structure, it can be an additional Widening of the resulting from the piercing of the gripper system Kernloch- come diameter, whereby a high fiber volume content can be realized.
  • the reinforcing elements are introduced by train in the core composite structure or only in the core material, there is a very good alignment and no buckling of the reinforcing structure. With the help of this Arm istsvons the introduced reinforcing elements may also have a deviating from 0 ° to the z-axis angle, z. B. +/- 45 ° with pure transverse force stress.
  • the through holes can be introduced into the foam under any angular position. The orientation of the through holes can be adapted to the particular shape of the foam material to be reinforced as well as the expected load situation during use.
  • the core material used may be a polymeric rigid foam (eg PMI, PVC, PEI, PU, EPP, PES, PS, etc.). But other foams, which are commonly used as core material, can be used. Likewise, fibers and other fiber fabrics can be used.
  • the core material may have a thickness, for example, of 1 to 150 mm, a width of approximately 1250 mm, and a length of approximately 2500 mm.
  • the top and bottom textile cover layers may be the same or different and made of polyamide, polyester, carbon, glass, nylon, metal, aramid or basalt fibers or other reinforcing materials. The thickness of a single textile cover layer layer may be the same or different and, for example, between 0.1 mm and 5.0 mm.
  • thermoplastics or thermosets can be used as a polymeric matrix material.
  • the reinforcing structure can consist either of textile reinforcing structures (eg sewing threads, rovings) or of rod-shaped elements (eg pins of unidirectional fiber-plastic composite, unreinforced plastic or metal, etc.).
  • fiber bundles are understood to mean rovings made from a large number of individual fibers or monofilaments, individual fibers themselves and also threads which have been formed by twisting of individual fibers or fiber bundles.
  • Typical diameters of the reinforcing structure may be 0.1 mm to 2.0 mm. For a good bond of reinforcement and Kernmatehal the core material or the entire sandwich system can be infiltrated with resins.
  • a vacuum is applied to one side of the core material or the sandwich system to suck in a resin located on the other side.
  • the amount of resin introduced should be as small as possible in order to achieve an optimum balance between strength and weight.
  • the optimization is mainly done by reducing the amount of resin while increasing the fiber content per puncture hole.

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Abstract

Die Erfindung betrifft, die Verstärkung von Kernverbund-Strukturen mit Hilfe, einer Armierungsvorrichtung. Die Deckschichten können aus Faser-Kunststoff-Verbund und das Kernmaterial aus polymerem Hartschaumstoff bestehen. Das Einbringen eines Durchgangsloches im Kernmaterial wird zeitlich getrennt von der Einbringung der Ärmierungsstruktur durchgeführt. Nach der Einbringung des Durchgangsloches mit Hilfe eines Hakens, Greifers oder Nadel wird die Armierungsstruktur geholt und durch eine Aufwärtsbewegung in die Kernverbund-Struktur eingebracht. Nachher wird die Nadel, der Greifer oder der Haken in Nährichtung zum nächsten Einstichloch geführt, wobei es zu einer Verschlingung zwischen der oben- und untenliegenden Armierungsstruktur kommt.

Description

Zweiseiten-Einnadel-Unterfaden-Nähtechnik
Technisches Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Armierungsprozess für Kernverbunde, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen eines Durchgangsloches im Kernmaterial zeitlich getrennt von der Einbringung der Armierungsstruktur durchgeführt wird.
Die Erfindung eignet sich zur Armierung von Kernverbund-Strukturen. Die Kernverbund- Struktur kann vorzugsweise aus Faser-Kunststoff-Verbund mit Deckschichten aus texti- len Halbzeugen (z.B. Gewebe, Gelege, Matten, etc.), einem Kernmaterial (z. B. polymerer Schaumstoff) und einem polymeren Matrixwerkstoff (Thermoplast oder Duromer) bestehen. Kernverbunde sind schichtweise aufgebaute Strukturen, die aus relativ dünnen oberen und unteren Deckschichten sowie aus einer relativ dicken Kernschicht niedriger Rohdichte bestehen. Mit Hilfe dieser Erfindung können die transversalen (z. B. Druck- bzw. Zugsteifigkeit und -festigkeit in z-Richtung, Schubsteifigkeit und -festigkeit in xz- und yz-Ebene, Schälwiderstand zwischen Deckschicht und Kern, Fail-Safe-Verhalten) und auch die mechanischen Eigenschaften von Kernverbundstrukturen in Richtung der Plattenebene (z. B. Steifigkeit und Festigkeit) mit Hilfe von in Dickenrichtung durchsetzenden Armierungs- elementen deutlich gesteigert werden.
Stand der Technik
Das Prinzip der optimierten Dichteverteilung im Struktur-Schaumstoff bzw. in hoch belastbaren, leichten Verbundwerkstoffen wird z. B. in Sandwichplatten mit einem schubsteifen Verbund eines Schaumstoffkerns mit beiderseits zugfesten Deckschichten reali- siert. Um einen dauerhaften Verbund herzustellen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Je nach Beanspruchung kann z. B. geklebt oder armiert werden. Die Armierung ist die Verstärkung eines Objektes durch ein anderes, das eine höhere Druck- oder Zugfestigkeit besitzt.
Alle bisher bekannten Fertigungsverfahren zur Armierung von Kernverbund-Strukturen in Dickenrichtung, wie z. B. die Doppelsteppstich-, Blindstich- oder Zweinadel- Nähtechnik sowie das Tufting-Verfahren, haben gemeinsam, dass die Armierungselemente (z. B. Nähfaden, Rovings) gemeinsam mit der Nadel in die Kernverbund-Struktur eingebracht werden. Bei herkömmlichen textilartigen Nähgütern stellt das Eindringen der Nadel einschließlich Nähfaden und das anschließende Herausziehen der Nähnadel und das Hinterlassen des Nähfadens im Nähloch aufgrund der Rückstellwirkung der Textilien in der Regel kein Problem dar. Jedoch kommt es bei Kernverbund-Strukturen mit einem polymeren Hartschaumstoff als Kernmaterial durch das Eindringen der Nadel einschließlich Nähfaden zu einer Zerstörung der zellartigen Struktur und zu einer Verformung des polymeren Hartschaumstoffs infolge plastischer und elastischer Deforma- tion auf die etwaige Größe des Nähnadeldurchmessers. Die in der WO 2004/113063 beschriebene Bohrung eines Durchgangsloches und anschließenden Durchführung des Fadens durch das Bohrungsloch führt zu einem ungünstigen Flächenverhältnis zwischen Durchgangsloch und Faden und damit zu einem geringen Fadenvolumengehalt.
Nach dem Herausziehen der Nähnadel und dem Hinterlassen des Nähfadens im Näh- loch kommt es zu einer Reduzierung des Durchgangslochs aufgrund der elastischen Verformungsanteile der Zellwände, wodurch der Kernlochdurchmesser wieder kleiner als der Nähnadeldurchmesser wird. Zwischen dem entstehenden Durchmesser des Durchgangslochs im Kern und dem verwendeten Nähnadeldurchmesser besteht eine nahezu lineare Abhängigkeit, d. h. je größer der Nähnadeldurchmesser, umso größer auch das resultierende Durchgangsloch im Kern. Des Weiteren sorgt der Nähfaden zu einer zusätzlichen Aufweitung des Kernlochdurchmessers. Diese zusätzliche Aufweitung entspricht ungefähr der Querschnittsfläche des Nähfadens. Auch hier gilt, je größer die Querschnittsfläche des verwendeten Nähfadens, umso größer die zusätzliche Aufweitung. Die US 6187411 beschreibt das Vernähen im Zweiseitennähverfahren, bei dem ein O- berfaden von einer Decklage des Kernverbundes aus mit einer Nadel in den Schichtaufbau eingestochen wird und in der Nähe der anderen Decklage von einem Unterfaden in dem Schichtaufbau gehalten wird. Hierdurch entsteht beim Rückzug der Nadel aus dem Schichtaufbau eine Schlaufe. In der DE 102005024408 wird ein Nähverfahren zur Verstärkung von Schaumstoffen offenbart, das nach der Erzeugung eines Durchgangsloches mittels einer Nadel die Faserbündel durch den Schaumwerkstoff gezogen wird und anschließend bündig abgeschnitten oder an die Oberfläche angelegt und wahlweise verklebt wird. Dies führt bei der weiteren Verarbeitung zum rausrutschen der Fasern aus der Deckschicht, was Ver- bundfestigkeit stark reduziert, aber auch zur Ondulation der Oberfläche führt.
Die US 5624622 offenbart die Verstärkung eines Schaumkernverbundes durch Kettstich- oder Steppstichnähverfahren.
Bei den bisher eingesetzten Nähverfahren wird beim Eindringen der Nadel der Faden mitgeführt. Dabei erstreckt sich während des Einstechens in den Schaumstoff der Fa- den über die ganze Länge parallel zur Nadel. Die Lochgröße des Einstichloches wird somit durch den Nadeldurchmesser und die Stärke des Fadens bestimmt.
Nach der Imprägnierung der Kernverbund-Struktur mit dem flüssigen Matrixwerkstoff und anschließender Aushärtung können mithilfe mikroskopischer Untersuchungen der Kernlochdurchmesser sowie der Faservolumengehalt des Nähfadens im Kernloch be- stimmt werden. Hierbei zeigen experimentelle Untersuchungen an mit Hilfe der Doppelsteppstich-Nähtechnologie und unter Verwendung einer Nähnadel mit einem Durchmesser von 1 ,2 mm und einem Aramidfaden mit einem Liniengewicht von 62 g/km vernähten Kernverbund-Strukturen, dass der Durchmesser der entstehenden Harzsäule im Kernmaterial (ca. 1 ,7 mm) größer ist als der ermittelte Kernlochdurchmesser einer nicht imprägnierten Kernverbund-Struktur bei einmaligem Einstich. Der Grund hierfür ist, dass durch das Einstechen der Nähnadel benachbarte Zellwände im Bereich des Nähnadeldurchmessers zerstört werden. In diese nun offenen Poren mit einem mittleren Durchmesser von ca. 0,7 mm kann im anschließenden Infiltrationsprozess Harz ein- dringen (Bild A).
Figure imgf000006_0001
Bild A: Mechanismus der entstehenden Harzsäule unter Verwendung der Doppelsteppstich-Nähtechnologie und Abhängigkeit des Nähfadenvolumengehalt innerhalb eines Kernloches von der Anzahl der Nähfäden im Kernloch
Bei Einsatz der Doppelsteppstich-Nähtechnik werden stets pro Einstich zwei Nähfäden in z-Richtung der Kernverbund-Struktur eingebracht. Um den Nähfadenvolumengehalt innerhalb eines Durchgangslochs und somit die Armierungswirkung zu erhöhen, können bereits vernähte Stellen nochmals bzw. mehrmals vernäht werden. Jedoch können hierbei bereits im Kernloch befindliche Nähfäden durch das erneute Einstechen der Nähnadel beschädigt werden. Mithilfe von mikroskopischen Untersuchungen kann festgestellt werden, dass der Nähfadenvolumengehalt nicht proportional zur Anzahl der Einstiche gesteigert werden kann, wie dies zu erwarten wäre. Grund hierfür ist, dass der Durchmesser des Kernlochs mit zunehmender Anzahl der Einstiche und der einge- brachten Nähfäden nicht konstant bleibt, da sich der Kernlochdurchmesser durch das zusätzliche Einbringen von Nähfäden um ungefähr die Fadenquerschnittfläche vergrößert. Jedoch wird ebenfalls noch festgestellt, dass der wahre Kurvenverlauf dieser Theorie erst bei einer sehr hohen Anzahl an Einstichen nahekommt. Dagegen vergrößert sich der Durchmesser des Kernlochs bei einer geringen Anzahl an Einstichen übermä- ßig stark. Grund hierfür ist die Positioniergenauigkeit der Nähmaschine. Wird eine Position, die nochmals vernäht werden soll, erneut angefahren, so sticht die Nähnadel nicht genau zentrisch in das bereits vorhandene Loch sondern im Rahmen der Positioniergenauigkeit ein wenig daneben, wodurch sich das Kernloch überproportional vergrößert. Nach etwa achtmaligem Einstechen in dasselbe Kernloch ist dieses bereits so stark aufgeweitet, dass die Nähnadel in das vorhandene Loch ohne zusätzliche Zerstörung von Zellenwänden trifft. Bei weiteren Einstichen erfolgt die Aufweitung nur noch durch die zusätzlich eingebrachten Nähfäden.
Anhand dieser Untersuchungen wird deutlich, dass der entstehende Durchmesser im polymeren Kernmaterial bei Einsatz herkömmlichere Fertigungsverfahren (z. B. Doppel- steppstich-Nähtechnik) hauptsächlich durch den verwendeten Nähnadeldurchmesser, die Querschnittsfläche des Nähfadens sowie durch den Porendurchmesser des eingesetzten polymeren Hartschaumstoffs abhängt. Da bei allen bislang bekannten Armierungsverfahren Nähnadel und Nähfaden gleichzeitig in die Kernverbund-Struktur einstechen, kommt es hierbei immer zu einem ungünstigen Verhältnis von eingebrachter Querschnittsfläche der Armierungselemente zur Größe des Kernlochdurchmessers. Hohe Faservolumengehalte im Kernlochdurchmesser, ähnlich hoch wie der Faservolumengehalt der Deckschichten (> 50 %), lassen sich somit mit konventionellen Armierungsverfahren nicht erzielen. Da jedoch die mechanischen Eigenschaften hauptsächlich durch die eingebrachten hochsteifen und -festen Armierungselemente beeinflusst werden, muss es das Ziel sein, einen möglichst hohen Faservolumengehalt der Armierung im Kernlochdurchmesser anzustreben. Des Weiteren sorgt der hohe Harzanteil im Kernlochdurchmesser für eine Erhöhung des Gewichts, welches im Speziellen in der Luft- und Raumfahrt nicht toleriert wird.
Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die mechanischen Eigenschaften von Kernverbund-Strukturen durch Einbringen von Armierungselementen in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur (z-Richtung) zu verbessern, mit einem hohen Faservolumgehalt der Armierung im Kernlochdurchmesser. Durch die Einbringung der Armierungselemente in die Kernverbund-Struktur soll das Gewicht nicht stark erhöht werden.
Lösung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Armierung von Kernverbunden erfolgt, indem a) das Einbringen eines Durchgangsloches im Kernmaterial zeitlich getrennt von der Einbringung der Armierungsstruktur durchgeführt wird, b) nach der Einbringung des Durchgangsloches mit Hilfe eines Hakens, Greifers oder Nadel die Armierungsstruktur geholt wird und, durch eine Aufwärts - und Drehbewegung oder eine Aufwärtsbewegung eines/einer mit einem Schieber gesicherten Grei- fers, Hakens oder Nadel in die Kernverbund-Struktur eingebracht wird, c) nach dem Einbringen des Durchgangsloches und der anschließenden Einbringung der Armierungsstruktur die Nadel, der Greifer oder der Haken mit bzw. ohne Schieber (Greifersystem) und ohne bzw. mit gleichzeitiger Drehung in Nährichtung zum nächsten Einstichloch geführt wird, wobei beim nächsten Einstich die Armierungsstruktur an der Nadel, dem Haken oder dem Greifer vorbeigleitet und nach dem Durchstechen des Kernmaterials das Armierungsmaterial unterseitig aufgenommen wird, wobei es durch die Aufwärts- und Drehbewegung des Greifers, Hakens oder der Nadel oder die Aufwärtsbewegung der/des mit einem Schieber gesicherten Greifers, Hakens oder Nadel zu einer Verschlingung zwischen der oben- und untenliegenden Armierungsstruktur kommt.
Wird eine verschließbare Hakennadel, beispielsweise mit einer Klappe oder einem Schieber versehen, verwendet, so kann auf die Drehbewegungen verzichtet werden. Diese neuartige Nähtechnik kann ebenfalls zum Preformen als auch zum Befestigen von zusätzlichen Bauteilkomponenten (z. B. Stringer, Spante etc.) an die Kernverbund- Struktur verwendet werden.
Es wurde gefunden, daß mit der erfindungsgemäßen Nähtechnik im Vergleich zu DE102005024408A1 der herkömmliche Arbeitsgang des Ablängens eingespart wird. Außerdem wurde gefunden, daß bei anschließenden Verarbeitungsschritten die
Verschiebung der Deckschicht verhindert werden kann, was üblicherweise dazu führte, daß die Pins aus der Deckschicht rausgerutscht sind. Neben der fehlenden Verbundfestigkeit zwischen Deck- und Kernschicht kam es dann zu nicht definierten Ablagerichtungen der Rovings. Die daraus resultierende Ondulation der Deckschicht kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls verhindert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein kraft- und formschlüssiger Verbund zwischen Kern Werkstoff und Deckschicht hergestellt. Ein ca. 73%-iger Abfall der Schälkraft wird gemessen, wenn die Armierungselemente nicht durch die Deckschichten gehen, sondern zwischen Deck- und Kernschicht enden. Erste Versuche haben gezeigt, daß der Abfall der Schälkraft bei den mit dem erfindungsgemäßen Armierungsprozess hergestellte Kernverbunden stark verringert werden kann.
Der dauerhafte Verbund der Deckschichten mit dem Kernwerkstoff ermöglicht nun auch einen problemlosen Transport des Materialverbundes. Die Verwendung von Schaumstoffen, Filzen oder anderen Fasergelegen führt zu verbesserten Eigenschaften bezüglich thermischer und/oder akustischer Isolation.
Nach dem Armierungsprozess kann die Kernverbund-Struktur in einem Liquid- Composite-Moulding-Verfahren mit einem duromeren oder thermoplastischen Matrixwerkstoff imprägniert werden. Erfindungsgemäß werden Kernverbunde erhalten.
Diese können Deckschichten aus textilen Halbzeugen und einen Kern aus polymerem, natürlichem oder strukturiertem Kernwerkstoff enthalten, die mit Armierungselementen versehen und gegebenenfalls in einem polymeren Matrixwerkstoff eingebettet sind. Zeichnung 1 verdeutlicht den Nähprozess.
Ein Haken, Greifer oder Nadel (Greifersystem) (1 ) mit dem Armierungsmaterial (3) wie Nähgarn oder Roving wird zur Armierung von Kernverbunden eingesetzt (Figur I).
Haken, Greifer oder Nadel (1 ) werden mit dem Amierungsmaterial (3) bei gleichzeitiger Drehbewegung um 180° zur nächsten Einstichstelle geführt (Figur I und II). Sind Haken, Nadel oder Greifer mit einem Schieber gesichert, so kann auf die Drehbewegung verzichtet werden.
Haken, Greifer oder Nadel (1 ) werden zur Einbringung eines Durchgangsloches in das Kernmaterial (2) oder gegebenenfalls durch eine oder mehrere Deckschichten und das Kernmaterial eingebracht (Figur III). Hierbei wird das Armierungsmaterial nicht mitge- führt. Das Armierungsmaterial gleitet an Haken, Nadel oder Greifer vorbei (Figur IV) und verbleibt auf der Oberseite des Kernmaterials.
Nadel, Haken oder Greifer holen unterseitig das Armierungsmaterial, welches anschließend dann durch eine Aufwärts- und Drehbewegung in die Kernverbund-Struktur eingebracht wird (Figur IV). Sind Haken, Nadel oder Greifer mit einem Schieber gesichert, so kann wieder auf die Drehbewegung bei der Aufwärtsbewegung verzichtet werden.
Auf der Oberseite des Kernmaterials kommt zu einer Verschlingung des Armierungsmaterials (Figur V) und somit zur Knotenbildung.
Haken, Greifer oder Nadel ohne Schieber werden mit einer Drehbewegung in Nährichtung zur nächsten Einstichstelle geführt (Figur I). Haken, Greifer oder Nadel mit Schie- ber werden ohne Drehbewegung in Nährichtung zur nächsten Einstichstelle geführt.
Im anschließenden Prozessschritt wird das Nähgut oder die Armierungseinheit zur nächsten Einstichposition weitertransportiert und der Armierungsprozess wiederholt sich dann dort. Durch das Einziehen der Armierungsstruktur kann es zu einer zusätzlich Aufweitung des durch das Einstechen des Greifersystems entstehenden Kernloch- durchmessers kommen, wodurch ein hoher Faservolumengehalt realisiert werden kann. Da die Armierungselemente durch Zug in die Kernverbundstruktur bzw. nur in den Kernwerkstoff eingebracht werden, kommt es zu einer sehr guten Ausrichtung und zu keinem Ausknicken der Verstärkungsstruktur. Mit Hilfe dieses Armierungsverfahrens können die eingebrachten Armierungselemente ebenfalls einen von 0° zur z-Achse abweichenden Winkel aufweisen, z. B. +/- 45° bei reiner Querkraftbeanspruchung. Die Durchgangslöcher können in den Schaumstoff unter beliebiger Winkellage eingebracht werden. Die Orientierung der Durchgangslöcher kann besonders individuell auf die je- weilige Form des zu verstärkenden Schaumwerkstoffes sowie die im Gebrauch zu erwartende Lastsituation angepasst werden.
Als Kernwerkstoff kann ein polymerer Hartschaumstoff (z. B. PMI, PVC, PEI, PU, EPP, PES, PS etc.) angewendet werden. Aber auch andere Schaumstoffe, die üblicherweise als Kernmaterial zum Einsatz kommen, können verwendet werden. Ebenso können FiI- ze und andere Fasergelege eingesetzt werden. Der Kernwerkstoff kann eine Dicke beispielsweise von 1 bis 150 mm, eine Breite von ca. 1250 mm und eine Länge von ca. 2500 mm aufweisen. Die obere und die untere textile Deckschicht können gleich oder verschieden aufgebaut sein und aus Polyamid-, Polyester-, Kohlenstoff-, Glas-, Nylon-, Metall-, Aramid- oder Basaltfasern oder anderen Verstärkungsmaterialien bestehen. Die Dicke einer einzelnen textilen Deckschichtlage kann gleich oder verschieden sein und beispielsweise zwischen 0,1 mm und 5,0 mm liegen. Als polymerer Matrixwerkstoff können Thermoplaste oder Duromere verwendet werden.
Die Armierungsstruktur kann sowohl aus textilen Verstärkungsstrukturen (z. B. Nähfäden, Rovings) oder aus stabförmigen Elementen (z. B. Pins aus unidirektionalem Faser- Kunststoff-Verbund, unverstärktem Kunststoff oder Metall etc.) bestehen. Außerdem werden als Faserbündel Rovings aus einer Vielzahl von Einzelfasern oder Monofila- menten, Einzelfasern selbst sowie Fäden, die durch Verzwirnung von Einzelfasern oder Faserbündeln entstanden sind, verstanden. Typische Durchmesser der Armierungsstruktur können 0,1 mm bis 2,0 mm sein. Für einen guten Verbund von Armierung und Kernmatehal kann der Kernwerkstoff oder das gesamte Sandwichsystem mit Harzen infiltriert werden. Vorteilhafterweise wird dazu ein Vakuum auf einer Seite des Kernwerkstoffes oder des Sandwichsystems angelegt, um ein auf der anderen Seite befindliches Harz hindurchzusaugen. Die Menge des eingebrachten Harzes sollte möglichst gering sein, um ein optimales Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht zu erzielen. Die Optimierung erfolgt hauptsächlich über die Reduzierung der Harzmenge bei gleichzeitiger Erhöhung des Faseranteils pro Einstichloch.
Der Einsatz von erfindungsgemäß in Dickenrichtung verstärkten Kernverbund- Strukturen kann im Transportbereich, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, Kraft- und Schienenfahrzeugbau sowie Schiffsbau, aber auch im Sport- und Medizinbereich sowie im Bauwesen oder der Möbelindustrie Anwendung finden. Beispielsweise können Ruder oder Rumpfteile von Flugzeugen oder Helikoptern, aber auch Teile der Innenverkleidung bzw. der Innenausstattung mit den erfindungsgemäß hergestellten Sandwichbau- teilen ausgestattet werden. Auch Bauelementen für den Innen- , Messe- , und Außenbau können mit den erfindungsgemäßen Kernverbunden hergestellt werden.
Bezugszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1 Armierungsprozess für Kernverbunde, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Einbringen eines Durchgangsloches im Kernmaterial zeitlich getrennt von der Einbringung der Armierungsstruktur durchgeführt wird, b) nach der Einbringung des Durchgangsloches mit Hilfe eines Hakens, Greifers oder Nadel die Armierungsstruktur geholt wird und, durch eine Aufwärts - und Drehbewegung oder eine Aufwärtsbewegung eines/einer mit einem Schieber gesicherten Greifers, Hakens oder Nadel in die Kernverbund-Struktur eingebracht wird, c) nach dem Einbringen des Durchgangsloches und der anschließenden Einbringung der Armierungsstruktur die Nadel, der Greifer oder der Haken mit bzw. ohne Schieber und ohne bzw. mit gleichzeitiger Drehung in Nährichtung zum nächsten Einstichloch geführt wird, wobei beim nächsten Einstich die Armierungsstruktur an der Nadel, dem Haken oder dem Greifer vorbeigleitet und nach dem Durchstechen des Kernmaterials das Armierungsmaterial unterseitig aufgenommen wird, wobei es durch die Aufwärts- und Drehbewegung des Greifers, Hakens oder der Nadel oder die Aufwärtsbewegung der/des mit einem Schieber gesicherten Greifers, Hakens oder Nadel zu einer Verschlingung zwischen der oben- und untenliegenden Armierungsstruktur kommt.
2 Armierungsprozess für Kernverbunde nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungsstruktur aus textilartigen Verstärkungsstrukturen oder stabförmige Elemente besteht. Armierungsprozess für Kernverbunde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungsstruktur aus Nähfäden oder Rovings besteht.
Armierungsprozess für Kernverbunde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierungsstruktur aus Pins aus unidirektionalem Faser-Kunststoff-Verbund, unverstärktem Kunststoff oder Metall besteht.
Armierungsprozess für Kernverbunde nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht ober- oder/und unterseitig mit Deckschichten aus textilen Halbzeugen, ausgewählt aus der Gruppe der Polyamid-, Polyester-, Kohlenstoff-, Glas- , Nylon-, Metall-, Aramid- oder Basaltfasern, appliziert ist.
Armierungsprozess für Kernverbunde nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten aus textilen Halbzeugen, die Kernschicht aus polymerem, natürlichem oder strukturiertem Kernwerkstoff bestehen und dass die Deckschichten, die Kernschicht und die Armierungselemente in einem polymeren Matrixwerkstoff eingebettet sind.
Kernverbunde, erhältlich nach einem Verfahren der Ansprüche 1 - 6.
Verwendung der Kernverbunde nach Anspruch 7 zur Herstellung von Raum-, Luft-, See- und Land- und Schienenfahrzeugen. Verwendung der Kernverbunde nach Anspruch 7 zur Herstellung von Sportgeräten. Verwendung der Kernverbunde nach Anspruch 7 zur Herstellung von Bauelementen für den Innen- , Messe- , und Außenbau.
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