WO2017042384A1 - Textiles halbzeug - Google Patents

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WO2017042384A1
WO2017042384A1 PCT/EP2016/071440 EP2016071440W WO2017042384A1 WO 2017042384 A1 WO2017042384 A1 WO 2017042384A1 EP 2016071440 W EP2016071440 W EP 2016071440W WO 2017042384 A1 WO2017042384 A1 WO 2017042384A1
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PCT/EP2016/071440
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Roy GLUTHMANN
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Hermes Schleifkörper Gmbh
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    • D10B2505/00—Industrial
    • D10B2505/02—Reinforcing materials; Prepregs

Definitions

  • the invention relates to a textile semi-finished product, with Wenig ⁇ least one warp thread, at least one weft thread and at least one connecting yarn.
  • Such products are required for the production of thermoplastic fiber composite structures, which are produced by pressing under the influence of temperature.
  • thermoplastic matrix component and verbin ⁇ det with the reinforcing layers to a high-strength composite material.
  • Her ⁇ alternate method is for a variety of industrially produced in large series moldings, especially those in
  • EP 0 361 796 A2 describes a moldable textile semifinished product, wherein a plurality of superimposed layers are each formed from adjacent, not interwoven, threads and a matrix component is introduced into these layers.
  • This may consist of thermoplastic or thermosetting resin, metal or ceramic and be introduced in the form of threads, tapes, film-like layers, woven or non-woven materials.
  • the reinforcing ⁇ layers and the matrix components are sewn together. It It is proposed to introduce thermoplastic threads together with a reinforcing thread. Because of the different stretch characteristics of reinforcing filaments and thermoplastic filaments, this inevitably leads to egg nem bogigen, non-stretched over Verstärkungsfä ⁇ .
  • the invention is based on the object to provide a textile semifinished product of the type mentioned, which is kos ⁇ ten redesign on widely available machines to produce and defined, reproducible properties, in particular ⁇ special strength properties.
  • This object is achieved by the subject matter of the Pa ⁇ tentificat 1 and 2.
  • the invention is thus an aforementioned semi-finished textile, wherein either the at least one warp yarn, a reinforcing layer bil ⁇ det, and the at least one weft thread is a thermoplastic shear yarn is (variant of claim 1) or vice versa (variant of claim 2). Warp threads and weft threads stretch in each case in one plane, these planes are arranged substantially parallel to each other.
  • An inventive textile semi-finished product is a semi-finished ⁇ product from which can be manufactured in a fiber composite workpiece or -Material with melting thermoplastic constituents under the action of heat and preferably pressure.
  • the terms "warp threads”, “weft threads” and “Veritatisfä ⁇ den” include corresponding systems, which preferably do not consist of a single thread, but from yarn sheets.
  • a group of threads usually comprises a plurality of individual threads, which may be identical or different and made of the same or different materials. Yarns may possibly also on the basis of different types of yarn, z. Staple fiber or filament yarn.
  • the reinforcing layer adds to the workpiece from the semifinished product forth ⁇ made strength, especially tensile strength in the axial direction of the stretched extending filaments or groups of filaments. Accordingly, it is in the ER inventive semi-finished product is not a tissue that always has ei ⁇ nen bogigen thread run.
  • the connecting thread holds monofilaments or bundles of threads of the reinforcing fibers and the thermoplastic matrix layer (thermoplastic weft thread in the variant of claim 1, thermoplastic warp thread in the variant of claim 2) and connects them. Holding means that the connection thread at least contributes to the Subject Author ⁇ fenden threads spatially fixed to each other or are limited in their freedom of movement sawn.
  • the function of the Hal ⁇ least is covered mainly by covering or wrapping around the warp and weft threads.
  • the semifinished product according to the invention is a biaxial clutches based on the Kettengewirktechnologie with parallel weft insertion ⁇ .
  • the basic textile structure consists of warp, weft and connecting thread, wherein the connecting thread Mesh forms.
  • the respective yarn sheets preferably consist of mutually parallel individual threads. Kettfadenscharen and weft threads advance preferably approximately orthogonal to each other.
  • the semi-finished product preferably comprises a thermoplastic Ver ⁇ tying thread, a layer of reinforcing filaments and a layer of thermoplastic matrix filaments.
  • the invention provides a semi-finished product, whose Verstärkungsfä ⁇ are aligned unidirectionally and that therefore can be used as a unidirectional patch for the manufacture ⁇ development of fiber composite structures with complex shapes and load directions. Depending on the expected
  • semifinished products according to the invention can be combined with one another in such a way that the respective unidirectionally oriented reinforcing layers point in the direction of loading to be expected.
  • semi-finished products according to the invention can be arranged one above the other with appropriately aligned reinforcing fibers.
  • the invention thus provides a universal and flexible Struktur ⁇ releasing semi-finished, by means of which can be prepared a variety of complex composite structures in a simple and economical way.
  • the independent claims 1 and 2 of the present patent application define a semifinished textile product with warp threads and weft threads made of different materials (reinforcing threads or reinforcing layer or thermoplastic threads).
  • warp threads on the one hand and weft threads on the other hand consist of said different materials.
  • the formulation used in the claims that the weft (or warp) a thermoplastic Fa is the means that it is composed exclusively of thermoplasti ⁇ rule materials. In other words, it is a semi-finished product in which warp threads and weft threads of the corresponding different materials were fed during knit production. Not, several semi-finished products or layers of Ge ⁇ Am working in which consist in each knitted warp threads and weft threads of a uniform material, superimposed on each other is to be arranged by the invention.
  • the preparation takes place by means of a knitting machine with weft insertion pa ⁇ rallelem or a raschel knitting machine. It is thus possible to use widely used machines for producing a semifinished product according to the invention. Additional devices, for example for introducing nonwoven layers or other textile elements as reinforcing or matrix component are not required.
  • the machine as described above, warp and
  • the weft or alternatively the warp thread consists of thermoplastic material and forms the matrix thread.
  • the handle "thermoplastic" is to be understood in the context of the invention as a property of a fabric or a thread material to melt in the course of further processing of Halb ⁇ tool under temperature and preferably pressure to produce a composite.
  • the matrix yarn loses all or part of its thread ⁇ structure and changes into a binding the reinforcing fibers and / or embedding matrix material.
  • Suitable thermoplastic materials preferably melt at temperatures between 150 and 300 ° C. Suitable are ther ⁇ moplastic polymers such. As polyester, polyamide or polypropylene. The materials of the reinforcing layer do not melt under these conditions, or only to a small extent, but rather retain largely their shape, structure and strength.
  • the connecting thread always penetrates the reinforcing layer in the area of the free spaces between the threads or the thread coulters. The penetration of a reinforcing layer along with damage and a deflection of threads is thereby avoided. Thus, neither the warp nor the weft thread are pierced by the connecting thread. They are thus weakened neither by breaking or tearing individual thread elements, nor is the principle rectilinear extension of the threads or the yarn sheet changed.
  • the weft thread is executed as a full shot. If the reinforcing layer is formed by weft threads, in this embodiment, the maximum length of the reinforcing threads corresponds to the production width of the semifinished product.
  • a full shot (also a paral- lel shot) is a transverse straight thread stretch over the entire width of the warp knit and is limited only by the edge of the warp knitted fabric. The full shot is held by stitches of another thread system.
  • the warp thread is preferably designed as a standing thread. It thus forms a longitudinally geradli ⁇ nig extending thread line.
  • a filament thread is a length of thread that extends in a straight line in the warp knit longitudinally between two wales of another thread system and that is not bounded by stitches or handles of the same thread.
  • the at least one connection ⁇ thread is preferably a thermoplastic yarn.
  • Warp thread and weft thread preferably extend substantially orthogonal to each other.
  • the semifinished product according to the invention can be modularly quizverarbei ⁇ tet.
  • a layer of the semifinished product with a unidirectional reinforcement layer can be combined with further layers, for example where the main loading direction of the reinforcing layer extends in a different direction, thus forming an angle with the Hauptbe ⁇ lastungscardi the reinforcing layer of the first layer of the semifinished product.
  • the semifinished product constructive and material are not aligned to the specific requirements of each use. Rather, modules consisting of a matrix layer and a unidirectional reinforcing layer can be produced and then specifically combined depending on the strength requirements. Decisive is both the number of reinforcing layers used, as well as their orientation to each other, which in particular the main load directions can be considered.
  • a precursor is first produced specifically for the corresponding application, in which a number of semifinished products (layers) according to the invention with appropriate orientation of the reinforcing layers are combined under the effect of temperature and pressure, as a rule processed into plates.
  • This precursor (plates) is then processed in the appropriate form to the reinforced end product.
  • Be ⁇ affects the joining of the semi-finished products to a preliminary product that the melting of the matrix layer and the penetration and integration of the reinforcing fibers with the matrix material under the defined conditions of this Pre-fabrication step takes place reliably and reproducibly.
  • the semifinished product of the invention can supply step in this prefabrication under heat on a flat surface and pressed plates (modules) assembled ⁇ the.
  • Each module preferably consists of a combination of several layers and thus has a plurality of respectively unidirectionally extending reinforcing layers with preferably mutually differing orientation. Number and orientation (axis perpendicular to the flat direction of extension) of the layers are specifically combined depending on the requirements - especially the strength requirements - of the end ⁇ product.
  • the thus prefabricated power flow module is pressed by means of a desired component corresponding negative mold under the action of heat.
  • the modules obtained by means of the prefabrication step or the end products produced therefrom have a are very powerful strength and are suitable for demanding applications to ⁇ .
  • the threads of the reinforcing layers are structurally completely stretched and pa ⁇ rallel to each other, furthermore, they have no damage or defects on. Accordingly, the strength values of the modules are subject to only very slight fluctuations, and correspondingly their use can be calculated mathematically. An additional use of material to compensate for fluctuations in strength is thus not required.
  • the invention thus also provides a textile semi ⁇ convincing as a precursor, having at least two layers of reinforcing ⁇ which extend in substantially mutually pa- rallelen levels.
  • the individual threads or sets of threads of at least two of the reinforcement layers preferably extend at an angle to one another. This allows adaptation to the main load directions of the intended end product.
  • thermoplastic warp or weft thread (matrix thread) and thermoplastic connecting thread differ from each other.
  • the melting temperature of the thermoplastic connecting thread is less than that of the thermoplastic matrix thread. This can be achieved in a corresponding temperature control, first, the melting of the connecting thread, wherein the thermoplastic see matrix thread is maintained in shape.
  • the composite of the yarn layer loosens and the threads can be pressed against the mold (good drapability) for improved flexibility and adaptability. move.
  • the melting of the thermoplastic matrix thread takes place at a higher temperature and the textile structure has significantly lower stresses at this point in time.
  • the textile composite still exists during melting of the matrix component.
  • ther ⁇ moplastischer connecting thread has to be chosen, the melting temperature exceeds the melting temperature of the matrix yarn.
  • the individual filaments or groups of filaments of the reinforcing layer containing fibers selected from the group consisting of glass fibers, carbon ⁇ fibers, basalt fibers, high-strength polymer fibers and mixtures thereof.
  • the fibers or Fadenscha ⁇ ren 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.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of a textile semifinished product according to the invention.
  • the drawing (FIG. 1) shows the exemplary embodiment with a reinforcing layer consisting of weft threads (4) in one plane and a matrix layer consisting of thermoplastic warp threads (2, 3) in a further plane. Both the warp and weft threads are straight and stretched parallel to each other. The cohesion as a textile fabric is ensured by the connecting thread 1.
  • the connecting threads (1) always penetrate the plane of the reinforcing fiber strands (4) in the free spaces between their yarn bundles.
  • the present embodiment forms a stable, largely distortion-free, consisting of exactly positioned textile elements unidirectional composite. It enables draping in three-dimensional shapes and melting of the thermoplastic matrix component, a good sliding of the reinforcing layer.
  • the textile semi-finished product was based on a knitted fabric with
  • Basis weight of the textile semifinished product approx. 480 g / m 2

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein textiles Halbzeug, mit wenigstens einem Kettfaden (2, 3), wenigstens einem Schussfaden (4) und wenigstens einem Verbindungsfaden (1). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass entweder der wenigstens eine Kettfaden eine Verstärkungsschicht bildet, und der wenigstens eine Schussfaden ein thermoplastischer Faden ist oder umgekehrt. Kettfäden und Schussfäden verlaufen gestreckt in jeweils einer Ebene, diese Ebenen sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.

Description

Textiles Halbzeug
Die Erfindung betrifft ein textiles Halbzeug, mit wenigs¬ tens einem Kettfaden, wenigstens einem Schussfaden und wenigstens einem Verbindungsfaden. Benötigt werden derartige Erzeugnisse zur Herstellung von thermoplastischen Faserverbundstrukturen, welche durch Pressen unter Temperatureinwirkung entstehen. Dabei
schmilzt die thermoplastische Matrixkomponente und verbin¬ det sich mit den Verstärkungsschichten zu einem hochfesten Verbundmaterial. Damit ist die Fertigung von komplexen, mehrdimensional geformten Bauteilen hoher Festigkeit und Schlagzähigkeit möglich. Zur Anwendung kommt dieses Her¬ stellverfahren 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 mitei- nander verwebten Fäden gebildet werden und in diese Schichten eine Matrixkomponente eingebracht wird. Diese kann aus thermoplastischem oder duroplastischem Harz, Metall oder Keramik bestehen und in Form von Fäden, Bändern, folienartigen Schichten, gewebten oder vliesartigen Materialien eingebracht werden. Schließlich werden die Verstärkungs¬ schichten und die Matrixkomponenten miteinander vernäht. Es wird vorgeschlagen, auch thermoplastische Fäden gemeinsam mit einem Verstärkungsfaden einzubringen. Aufgrund der unterschiedlichen Dehnungseigenschaften von Verstärkungsfäden und thermoplastischen Fäden führt dies unweigerlich zu ei- nem bogigen, nicht gestreckten Verlauf von Verstärkungsfä¬ den .
DE 10 2008 063 545 AI offenbart ein Multiaxialgelege aus mehreren Lagen von Fasersträngen. Diese verlaufen in einer Lage geradlinig und parallel zueinander und weisen in jeder Lage eine voneinander abweichende Ausrichtung auf. Die Fa¬ serstränge können sowohl aus Verstärkungsfasern oder thermoplastischen Fäden oder aus Mischungen derselben bestehen und sind durch thermoplastische Verbindungsfäden miteinan- der verbunden. Weil die thermoplastischen Verbindungsfäden aus dem gleichen Material wie die Matrixvorstufenkomponente bestehen, schmelzen beide zu einem einheitlichen Verbundmaterial auf. Der auf diese Weise hergestellte Faserverbund¬ werkstoff enthält somit keine Verbindungsfäden mehr.
In der DE 10 2012 007631 AI wird vorgeschlagen, eine tex- tile Mehrschicht-Verstärkungsstruktur mit integrierter thermoplastischer Matrix derart aufzubauen, dass bei einem Multiaxialgelege zwischen unidirektional ausgerichteten Verstärkungsschichten thermoplastisches Fasermaterial in
Form von Faservlies angeordnet wird. Die Schichten der Ver¬ stärkungsfäden wie auch der Faservliese werden schließlich durch Verbindungsfäden fixiert. US 5160485 offenbart in Fig. 1 ein Halbzeug mit gewebten
Verstärkungsfäden. Dies ist nachteilig für die Festigkeit. In Fig. 4 wird offenbart, mehrere Schichten von Verstärkungsfäden mit thermoplastischen Fäden zu verbinden bzw. vernähen . EP 2907904 AI offenbart ein Halbzeug mit gewebten Verstärkungsfäden, die einen bogigen Verlauf und daher eine verminderte Festigkeit aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein textiles Halbzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, das kos¬ tengünstig auf verbreitet verfügbaren Maschinen herstellbar ist und definierte, reproduzierbare Eigenschaften, insbe¬ sondere Festigkeitseigenschaften aufweist. Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der Pa¬ tentansprüche 1 bzw. 2. Gegenstand der Erfindung ist somit ein eingangs genanntes textiles Halbzeug, bei dem entweder der wenigstens eine Kettfaden eine Verstärkungsschicht bil¬ det, und der wenigstens eine Schussfaden ein thermoplasti- scher Faden ist (Variante des Anspruchs 1) oder umgekehrt (Variante des Anspruchs 2) . Kettfäden und Schussfäden verlaufen gestreckt in jeweils einer Ebene, diese Ebenen sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Begriffe erläutert.
Ein erfindungsgemäßes textiles Halbzeug ist ein Halbfertig¬ produkt, aus dem sich unter Einwirkung von Temperatur und vorzugsweise Druck unter Aufschmelzen thermoplastischer Bestandteile ein Faserverbundwerkstück bzw. -Werkstoff herstellen lässt. Die Begriffe "Kettfäden", "Schussfäden" und "Verbindungsfä¬ den" umfassen entsprechende Systeme, die vorzugsweise nicht aus einem einzelnen Faden bestehen, sondern aus Fadenscharen. Eine Fadenschar umfasst in der Regel eine Mehrzahl von einzelnen Fäden, die gleich oder unterschiedlich ausgebildet und aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen können. Fadenscharen können ggf. auch auf Basis unterschiedlicher Fadenarten, z. B. Stapelfaser- oder Fila- mentgarn, gebildet sein.
Die Verstärkungsschicht verleiht dem aus dem Halbzeug her¬ gestellten Werkstück Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit in Axialrichtung der gestreckt verlaufenden Einzelfäden bzw. Fadenscharen. Entsprechend handelt es sich bei dem er- findungsgemäßen Halbzeug nicht um ein Gewebe, das stets ei¬ nen bogigen Fadenverlauf aufweist.
Der Verbindungsfaden hält Einzelfäden bzw. Fadenscharen der Verstärkungsfasern und der thermoplastischen Matrixschicht (thermoplastischer Schussfaden bei der Variante des Anspruchs 1; thermoplastischer Kettfaden bei der Variante des Anspruchs 2) und verbindet diese. Halten bedeutet, dass der Verbindungsfaden zumindest dazu beiträgt, dass die betref¬ fenden Fäden räumlich zueinander fixiert oder in ihrer Be- wegungsfreiheit eingeschränkt werden. Die Funktion des Hal¬ tens erfolgt maßgeblich durch Überdecken bzw. Umschlingen der Kett- bzw. Schussfäden.
Das erfindungsgemäße Halbzeug ist ein biaxiales Gelege auf Grundlage der Kettengewirktechnologie mit Parallel¬ schusseintrag. Die textile Grundstruktur besteht aus Kett-, Schuss- und Verbindungsfaden, wobei der Verbindungsfaden Maschen bildet. Die jeweiligen Fadenscharen bestehen vorzugsweise aus parallel zueinander verlaufenden Einzelfäden. Kettfadenscharen und Schussfadenscharen vorlaufen bevorzugt annähernd orthogonal zueinander.
Das Halbzeug enthält einen bevorzugt thermoplastischen Ver¬ bindungsfaden, eine Schicht aus Verstärkungsfäden sowie eine Schicht aus thermoplastischen Matrixfäden. Mittels der Wahl der Feinheit des Matrixfadens, des Verstärkungsfadens, der Fadendichte der Matrixfäden und der Fadendichte der
Verstärkungsfäden kann die Festigkeit in Belastungsrichtung sowie der absolute Anteil der Matrixkomponente variiert und damit den Erfordernissen der spezifischen Verwendung ange- passt werden.
Die Erfindung schafft ein Halbzeug, dessen Verstärkungsfä¬ den unidirektional ausgerichtet sind und dass deswegen als unidirektionales Patch eingesetzt werden kann zur Herstel¬ lung von Faserverbundstrukturen auch mit komplexen Formen und Belastungsrichtungen. Abhängig von der zu erwartenden
Belastung der Verbundstruktur können erfindungsgemäße Halbzeug derart miteinander kombiniert werden, dass die jeweils unidirektional ausgerichteten Verstärkungsschichten in die zu erwartende Belastungsrichtung weisen. Bei zu erwartenden Belastungen aus bzw. in unterschiedliche Richtungen können erfindungsgemäße Halbzeug übereinander mit entsprechend ausgerichteten Verstärkungsfasern angeordnet werden. Die Erfindung schafft somit ein universell und flexibel einzu¬ setzendes Halbzeug, mittels dessen sich auf einfache und wirtschaftlicher Art und Weise eine Vielzahl auch komplexer Faserverbundstrukturen herstellen lassen. Die unabhängigen Patentansprüche 1 und 2 der vorliegenden Patentanmeldung definieren ein textiles Halbzeug mit Kettfäden und Schussfäden aus unterschiedlichen Materialien (Verstärkungsfäden oder Verstärkungsschicht bzw. thermo- plastische Fäden) . Dies ist so zu verstehen, dass bei einem Gewirke Kettfäden einerseits und Schussfäden andererseits aus den genannten unterschiedlichen Materialien bestehen. Die in den Patentansprüchen verwendete Formulierung, dass der Schussfaden (bzw. Kettfaden) ein thermoplastischer Fa- den ist, bedeutet, dass er ausschließlich aus thermoplasti¬ schen Materialien besteht. Anders ausgedrückt handelt es sich um ein Halbzeug, bei dem bei der Gewirkeherstellung Kettfäden und Schussfäden aus den entsprechenden unterschiedlichen Materialien zugeführt wurden. Nicht Gegenstand der Erfindung ist es, mehrere Halbzeuge bzw. Lagen von Ge¬ wirke, bei denen in jedem einzelnen Gewirke Kettfäden und Schussfäden aus einem einheitlichen Material bestehen, übereinander gelegt anzuordnen. Die Herstellung erfolgt mittels einer Wirkmaschine mit pa¬ rallelem Schusseintrag bzw. einer Raschel-Wirkmaschine . Es ist somit die Verwendung von weit verbreiteten Maschinen zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbzeugs möglich. Zusätzliche Einrichtungen beispielsweise zum Einbringen von Vliesschichten oder anderen textilen Elementen als Verstär- kungs- oder Matrixkomponente sind nicht erforderlich. Der Maschine werden, wie oben beschrieben, Kettfäden und
Schussfäden aus den jeweiligen unterschiedlichen Materialien zugeführt.
Der Schuss- oder alternativ der Kettfaden besteht aus thermoplastischem Material und bildet den Matrixfaden. Der Be- griff "thermoplastisch" ist im Zusammenhang mit der Erfindung zu verstehen als Eigenschaft eines Stoffes bzw. eines Fadenmaterials, im Verlauf der Weiterverarbeitung des Halb¬ zeuges unter Temperaturbeaufschlagung und vorzugsweise Druck zu schmelzen, um einen Verbund zu erzeugen. Der Matrixfaden verliert dabei ganz oder teilweise seine Faden¬ struktur und geht über in ein die Verstärkungsfasern bindendes und/oder einbettendes Matrixmaterial. Geeignete thermoplastische Materialien schmelzen vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 150 und 300 °C . Geeignet sind ther¬ moplastische Polymere wie z. B. Polyester, Polyamid oder auch Polypropylen. Die Materialien der Verstärkungsschicht schmelzen unter diesen Bedingungen nicht oder nur zu geringen Anteilen, vielmehr behalten sie weitgehend Form, Struk- tur und Festigkeit.
Herstellungsbedingt durchdringt der Verbindungsfaden die Verstärkungsschicht stets im Bereich der Freiräume zwischen den Fäden bzw. den Fadenscharen. Das Durchstoßen einer Ver- Stärkungsschicht einhergehend mit einer Beschädigung sowie einer Auslenkung von Fäden wird dadurch vermieden. Somit werden weder der Kett- noch der Schussfaden vom Verbindungsfaden durchstochen. Sie werden also weder durch Brechen oder Reißen einzelner Fadenelemente geschwächt, noch wird die prinzipiell geradlinige Erstreckung der Fäden bzw. der Fadenschar verändert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schussfaden als Vollschuss ausgeführt. Sofern die Verstärkungsschicht durch Schussfäden gebildet wird, entspricht bei dieser Aus¬ führungsform die maximale Länge der Verstärkungsfäden der Herstellungsbreite des Halbzeugs. Ein Vollschuss (auch Pa- rallelschuss ) ist eine quer verlaufende gerade Fadenstrecke über die gesamte Breite des Kettengewirkes und wird nur durch den Rand des Kettengewirkes begrenzt. Der Vollschuss wird durch Maschen eines anderen Fadensystems gehalten. Sofern eine größere Länge der Verstärkungsschicht bzw. der Verstärkungsfasern des Halbzeugs als die Herstellungsbreite erforderlich ist, wird bevorzugt die Ausführungsform des Anspruchs 1 gewählt, bei der der Kettfaden die Verstär¬ kungsschicht bildet und somit dessen Länge praktisch belie- big gewählt werden kann.
Erfindungsgemäß ist der Kettfaden bevorzugt als Stehfaden ausgeführt. Er bildet somit eine in Längsrichtung geradli¬ nig verlaufende Fadenstrecke. Ein Stehfaden ist eine im Kettengewirke in Längsrichtung geradlinig verlaufende zwischen zwei Maschenstäbchen eines anderen Fadensystems eingebundene Fadenstrecke, die nicht durch Maschen oder Henkel desselben Fadens begrenzt ist. Wie bereits erläutert, ist der wenigstens eine Verbindungs¬ faden bevorzugt ein thermoplastischer Faden.
Kettfaden und Schussfaden verlaufen bevorzugt im Wesentlichen orthogonal zueinander.
Das erfindungsgemäße Halbzeug kann modular weiterverarbei¬ tet werden. Dies bedeutet, dass eine Lage des Halbzeugs mit einer unidirektionalen Verstärkungsschicht mit weiteren Lagen kombiniert werden kann, bei denen beispielsweise die Hauptbelastungsrichtung der Verstärkungsschicht in eine andere Richtung verläuft, somit einen Winkel mit der Hauptbe¬ lastungsrichtung der Verstärkungsschicht der ersten Lage des Halbzeugs einschließt. Entsprechend muss das Halbzeug konstruktiv und stofflich nicht ausgerichtet werden an den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Verwendung. Vielmehr können Module bestehend aus einer Matrixschicht und einer unidirektionalen Verstärkungsschicht hergestellt und dann in Abhängigkeit der Festigkeitsanforderungen spezifisch kombiniert werden. Maßgeblich ist dabei sowohl die Anzahl der eingesetzten Verstärkungsschichten, als auch deren Ausrichtung zueinander, wodurch insbesondere die Hauptbelastungsrichtungen berücksichtigt werden können.
Die Option der modularen Verwendung ermöglicht somit die einfache und vereinheitlichte Herstellung eines Halbzeuges und gleichzeitig eine Verwendung bei Anwendungen mit sehr unterschiedlichen Anforderungsprofilen. Das Erfordernis, das Halbzeug bereits bei der Konstruktion und Materialaus¬ wahl bereits spezifisch auf die spätere Verwendung auszu¬ richten, entfällt.
Diese modulare Verwendung kann in zwei Varianten erfolgen.
Bei einer ersten Variante wird spezifisch für den entsprechenden Anwendungsfall zunächst ein Vorprodukt hergestellt, bei dem eine Anzahl von erfindungsgemäßen Halbzeugen (Lagen) mit entsprechender Ausrichtung der Verstärkungsschich- ten unter Temperatur- und Druckeinwirkung zusammengefügt werden, in der Regel zu Platten verarbeitet werden. Dieses Vorprodukt (Platten) wird dann in der entsprechenden Form zum verstärkten Endprodukt verarbeitet. Das Zusammenfügen der Halbzeuge zu einem Vorprodukt be¬ wirkt, dass das Aufschmelzen der Matrixschicht und die Durchdringung bzw. Einbindung der Verstärkungsfäden mit dem Matrixmaterial unter den definierten Bedingungen dieses Vorfertigungsschrittes zuverlässig und reproduktionssicher erfolgt .
Das erfindungsgemäße Halbzeug kann bei diesem Vorferti- gungsschritt unter Wärmeeinwirkung auf einer ebenen Unterlage verpresst und zu Platten (Modulen) konfektioniert wer¬ den. Jedes Modul besteht vorzugsweise aus einer Kombination mehrerer Lagen und weist damit mehrere jeweils unidirektio- nal verlaufende Verstärkungsschichten mit vorzugsweise von- einander abweichender Ausrichtung auf. Zahl und Ausrichtung (Achse senkrecht zur flächigen Streckungsrichtung) der Lagen werden spezifisch kombiniert in Abhängigkeit der Erfordernisse - speziell der Festigkeitserfordernisse - des End¬ produktes. Das derart kraftflussgerecht vorgefertigte Modul wird mittels einer dem gewünschten Bauteil entsprechenden Negativform unter Wärmeeinwirkung verpresst. Durch eine derartige Kombinationsmöglichkeit bei der Vorfertigung der Module können die spezifischen Anforderungen an das Endprodukt, insbesondere die an Zug- Druck- und Dimensionsfestig- keit, berücksichtigt werden. Entsprechend können beispiels¬ weise bei einem Bauteil in der Hauptbelastungsrichtung eine Vielzahl von Verstärkungsfäden verlaufen, während für die gering belastete Querrichtung nur ein Bruchteil an Verstärkungsfäden vorgesehen ist.
Bei einer zweiten Variante der modularen Verwendung erfolgt eine direkte Verarbeitung mehrerer Halbzeuge mit vorzugs¬ weise unterschiedlich ausgerichteten Verstärkungsschichten und einem Formkörper zum verstärkten Endprodukt.
Die mittels des Vorfertigungsschrittes erhaltenen Module bzw. die daraus hergestellten Endprodukte weisen eine be- sonders hohe Festigkeit auf und sind für anspruchsvolle An¬ wendungen geeignet. Die Fäden der Verstärkungsschichten verlaufen konstruktiv bedingt vollständig gestreckt und pa¬ rallel zueinander, weiterhin weisen sie keine Beschädigun- gen oder Fehlstellen auf. Entsprechend unterliegen die Festigkeitswerte der Module nur sehr geringfügigen Schwankungen und entsprechend exakt kann deren Einsatz rechnerisch dimensioniert werden. Ein zusätzlicher Materialeinsatz zur Kompensation von Festigkeitsschwankungen ist somit nicht erforderlich.
Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein textiles Halb¬ zeug als Vorprodukt, das wenigstens zwei Verstärkungs¬ schichten aufweist, die in zueinander im Wesentlichen pa- rallelen Ebenen verlaufen. Bevorzugt verlaufen die Einzelfäden bzw. Fadenscharen von wenigstens zwei der Verstärkungsschichten in einem Winkel zueinander. Dies ermöglicht eine Anpassung an die Hauptbelastungsrichtungen des vorgesehenen Endprodukts.
Es kann vorgesehen sein, dass die Schmelztemperaturen von thermoplastischem Kett- oder Schussfaden (Matrixfaden) und thermoplastischem Verbindungsfaden voneinander abweichen. Bei einer ersten Variante ist die Schmelztemperatur des thermoplastischen Verbindungsfadens geringer als die des thermoplastischen Matrixfadens. Damit kann bei einer entsprechenden Temperaturführung zunächst das Schmelzen des Verbindungsfadens erreicht werden, wobei der thermoplasti- sehe 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 (gute Drapierbarkeit ) 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 Matrixkomponente noch besteht. In diesem Fall ist ein ther¬ moplastischer Verbindungsfaden zu wählen, dessen Schmelz- temperatur die Schmelztemperatur des Matrixfadens übersteigt .
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Einzelfäden bzw. Fadenscharen der Verstärkungsschicht Fasern enthalten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Carbon¬ fasern, Basaltfasern, hochfesten Polymerfasern sowie Mischungen daraus. Bevorzugt sind die Fasern bzw. Fadenscha¬ ren 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 konstruktionsbe- dingt eine stofflich und mechanisch homogene Struktur auf und sind zuverlässig reproduzierbar. Zufallsbedingte Fes¬ tigkeitsverluste durch stark oder weniger stark beschädigte Verstärkungsschichten oder Schwankungen des thermoplastischen Matrixanteils können weitgehend ausgeschlossen wer- den. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an¬ hand der Zeichnung erläutert. Diese zeigt schematisch die Struktur eines erfindungsgemäßen textilen Halbzeugs. Die Zeichnung (Fig. 1) zeigt das Ausführungsbeispiel mit einer aus Schussfäden (4) bestehenden Verstärkungsschicht in einer Ebene und eine aus thermoplastischen Kettfäden (2, 3) bestehende Matrixschicht in einer weiteren Ebene. Sowohl die Kett- als auch die Schussfäden verlaufen jeweils gerad- linig gestreckt und parallel zueinander. Der Zusammenhalt als textiles Flächengebilde wird durch den Verbindungsfaden 1 gewährleistet.
Konstruktionsbedingt durchdringen die Verbindungsfäden (1) die Ebene der Verstärkungsfaserstränge (4) stets in den Freiräumen zwischen deren Fadenscharen.
Die vorliegende Ausführungsform bildet einen stabilen, weitgehend verzugsfreien, aus exakt positionierten textilen Elementen bestehenden unidirektionalen Verbund. Er ermöglicht das Drapieren in dreidimensionalen Formen und beim Aufschmelzen der thermoplastischen Matrixkomponente ein gutes Gleiten der Verstärkungsschicht. Das textile Halbzeug wurde auf Basis eines Gewirkes mit
Schusseintrag gefertigt. Für die Herstellung kam eine Ra¬ schelmaschine mit Magazinschusseinrichtung und 3 Legebarren zum Einsatz, wobei eine Legebarre Maschen bildet. Das in der Fig. 1 gezeigte Produkt wurde auf einer Raschel¬ maschine mit Schusseintrag RS2 (3) MSUN 150" 18E Bj . 1993 der Fa. Karl Mayer Textilmaschinenfabrik GmbH hergestellt. Materialkomponenten und Maschinenparameter:
Legebarre 1: Wirkfaden = Verbindungsfaden, PP -Filament garn 84 dtex,
Legung: 1 - 0 / 2 -3 //
Einzug: voll
Maschendichte: 10,32 M/cm
Legebarre 2: Thermoplastischer Matrixfaden, PP Filament garn 932 dtex
Legung: 0 - 0 / 1 - 1/ 0 - 0 / 2 - 2//
Einzug: voll
Legebarre 3: Thermoplastischer Matrixfaden, PP Filament garn 932 dtex
Legung: 0 - 0 / 2 - 2/ 0 - 0 / 1 - 1//
Einzug: voll
Schuss : Verstärkungsroving, Textilglas 300 tex,
Einzug: voll
Flächengewicht des textilen Halbzeuges: ca. 480 g/m2
Erzielter Faservolumengehalt der Verstärkungsfäden: ca. 39

Claims

Patentansprüche
1. Textiles Halbzeug, mit wenigstens einem Kettfaden (2, 3), wenigstens einem Schussfaden (4) und wenigstens einem Verbindungsfaden (1), dadurch gekennzeichnet, dass a. der wenigstens eine Kettfaden (2, 3) eine Ver¬ stärkungsschicht bildet, b. der wenigstens eine Schussfaden (4) ein thermo¬ plastischer Faden ist, c. Kettfäden und Schussfäden gestreckt in jeweils einer Ebene verlaufen, und d. die Ebenen von Kettfäden und Schussfäden im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Textiles Halbzeug, mit wenigstens einem Kettfaden (2, 3), wenigstens einem Schussfaden (4) und wenigstens einem Verbindungsfaden (1), dadurch gekennzeichnet, dass a. der wenigstens eine Schussfaden (4) eine Verstär kungsschicht bildet, b. der wenigstens eine Kettfaden (2, 3) ein thermo¬ plastischer Faden ist, c. Kettfäden und Schussfäden gestreckt in jeweils einer Ebene verlaufen, und d. die Ebenen von Kettfäden und Schussfäden im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Textiles Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schussfaden (4) als Vollschuss ausgeführt ist.
4. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kettfaden (2, 3) als Stehfaden ausgeführt ist.
Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ver¬ bindungsfaden (1) ein thermoplastischer Faden ist.
Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass Kettfaden und Schussfaden orthogonal zueinander verlaufen. 7. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens zwei Ver¬ stärkungsschichten aufweist, die in zueinander im Wesentlichen parallelen Ebenen verlaufen.
Textiles Halbzeug Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfäden bzw. Fadenscharen von wenigstens zwei der Verstärkungsschichten in einem Winkel zueinander verlaufen.
9. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperaturen von thermoplastischem Kett- oder Schussfaden und thermoplastischem Verbindungsfaden voneinander abweichen.
10. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelfäden bzw. Fa¬ denscharen der Verstärkungsschicht Fasern enthalten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Carbonfasern, Basaltfasern, hochfesten Polymerfasern sowie Mischungen daraus.
11. Faserverbundwerkstück, erhältlich durch Erwärmen und
Formen eines textilen Halbzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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