WO2018019886A1 - Florprodukt mit unidirektional erhöhter festigkeit zur herstellung von cfk-bauteilen - Google Patents

Florprodukt mit unidirektional erhöhter festigkeit zur herstellung von cfk-bauteilen Download PDF

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WO2018019886A1
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fibers
layers
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Anton Mooshammer
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Autefa Solutions Germany Gmbh
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    • B32B2262/10—Inorganic fibres
    • B32B2262/106—Carbon fibres, e.g. graphite fibres

Definitions

  • the invention relates to a pile product, in particular a technical pile product for use as a semi-finished product for the production of fiber-reinforced composite materials, in particular CFRP components.
  • the invention further relates to a method for producing the pile product and an associated production plant.
  • pile products from one or more pile layers for the production of fiber-reinforced composite materials.
  • Fiber fabrics and fiber fabrics a significantly better
  • Drape capability (3D deformability). This is due in particular to the fact that in a batt
  • a pile product can thus at low
  • three-dimensional spatial form are formed under deviation from the flat in the original product expansion.
  • pile products offer the advantage that shorter fibers and optionally recycled fibers can be used for their production. Much of the manufacturing of fiber reinforced composites produced waste or the entire waste can thus be reused.
  • the fibers contained in a batt may have a preferred orientation. However, a not inconsiderable proportion of the fibers in the batt will have a confused orientation and thus of the
  • WO 2012/059538 AI discloses a nonwoven fabric, which is used as a semi-finished product for the production of fiber-reinforced
  • the nonwoven fabric is made from a fabric comprising one or more pile layers and a reinforcing grid.
  • a pile layer is loose in WO 2012/059538 A1 and according to the definition common in the technical field
  • a nonwoven or a nonwoven fabric is, for example, by needling
  • the reinforcing grid comprises at least the structural components "striving" and "crossing points".
  • the semi-finished product is formed by:
  • the semifinished product produced according to WO 2012/059538 Al has a somewhat improved draping ability compared to pure fabrics.
  • the semi-finished product necessarily includes crossing points between the fibers of the
  • Apparatus for forming a fibrous web Individual fibers from a fed fiber stream are successively deposited on a conveyor belt by one or more iridescent metering devices to form the nonwoven fabric. On the conveyor belt can continue to
  • prefabricated fabric are supplied, on which then the nonwoven fabric is formed by the deposition of the fibers.
  • Construction products and an associated manufacturing process are made of one
  • Nonwoven fabric formed.
  • a support structure of at least two individual threads is provided, wherein one of the threads is deposited in an oscillating shape. If several individual threads are deposited, they are arranged so that they at least partially
  • interposed support structure are connected to each other, for example.
  • Nonwovens for the topsheet and the backsheet are produced by a spunbond fabricator and / or a meltblown nonwoven fabric maker, and accordingly contain filaments. Spinning and meltblown processes are not to handle the usual
  • Staple fibers are suitable, which are included as a load-bearing component in a carded batt and serve for a fiber-reinforced composite material.
  • the Reinforcing structure is formed by first preparing the recycled fibers. There is a mechanical web formation. This includes the operations carding, wherein a fiber orientation is generated, and a needling or stabilization by needling. Thus, a consolidated nonwoven, or a nonwoven fabric made from recycled fibers is produced. In addition to this separately consolidated nonwoven layer, the reinforcing structure may have a layer of unidirectionally oriented reinforcing fibers, these two layers having a
  • Secondary structure are interspersed, which consists of at least one thread and connects the two layers together, for example.
  • layers are sewn to the thread or by the layers are interspersed with a fabric structure, a knitted fabric or a knit.
  • Support material is provided, deposited on the aligned fibers and distributed over a surface.
  • Backing material may be a nonwoven, i. an already consolidated pile product.
  • the carrier material with the applied fibers is fed to a press line with a calender in order to feed the fiber elements with the
  • WO 2011/101094 AI is a method for producing a plate-shaped semifinished product of a
  • Fiber composite known. Fibers with directional carbon fibers are made with reinforcing structures
  • Endlosfaserstoffe materially combined in a layer arrangement is heated, so that one contained in the layer arrangement
  • Thermoplastic component softens or melts.
  • Layer arrangement is compacted and solidified by cooling or under pressure without additional mechanical pressure. It is an object of the present invention to provide an improved manufacturing technology for a
  • Manufacturing technology includes
  • the semifinished product according to the present disclosure is a pile product having a high drapability and a high unidirectional strength. It also has a good cutting ability.
  • the semi-finished product or the pile product comprises a flat stacked arrangement of at least one pile layer of a nonwoven fibrous web and
  • Fiber layer is the at least one pile layer piled or coated and formed by a web-shaped yarn sheet. This group of threads has an exclusive
  • Fiber orientation and is formed of juxtaposed individual filaments.
  • the additional fiber layer is thus free of crossing points and, like the at least one pile layer, has surface-homogeneous properties.
  • the stacked arrangement is total
  • Connection points are substantially homogeneously distributed over the surface of the semifinished product and distributed substantially homogeneously over the cross section of the stacked arrangement. This results in essentially homogeneous, free path lengths of the fibers contained between the layers distributed homogeneously over the semifinished product (flat and in cross-section)
  • Uniformity of drapability is a particular advantage, besides the drape ability (ductility), achieved by the semifinished product according to the present disclosure.
  • the semifinished product thus offers particularly good processability for the production of components made of fiber-reinforced plastics, in particular with the formation of strongly curved shapes.
  • a batt is a mat-shaped or web-shaped mixture of single fibers or fiber flakes, wherein depending on the production of the batt, a preferred orientation of the fibers may be present, along which a larger proportion of the fibers or fiber parts is aligned.
  • the batt is a mechanically formed batt of staple fibers. In particular, it is a carded pile which consists predominantly or entirely of matrix staple fibers. Due to the exclusive fiber orientation of the yarn sheet, the strength of the pile product as a whole is increased unidirectionally over the strength of the fiber pile, so that the strength of a using the
  • the pile layer and the fiber layer each have a high
  • the pile layer and the additional fiber layer have a homogeneous structure in the surface. That is, they are free of additional macro support structures or macro-support means such as stitching or stapling.
  • the yarn sheet may be free of yarn crossings, adhesive bars, supporting sutures or similar action in the area of seam ⁇ or adhesives.
  • Threads of thread preferably consist exclusively of juxtaposed filaments.
  • Both the pile layer and the fiber layer can be with high internal mobility to three-dimensional
  • Pile layer and the additional fiber layer can continue to achieve a homogeneous absorption capacity for a matrix-forming composite, resulting in the production of a component of a fiber-reinforced composite material to a lower total weight. Furthermore, by a homogeneous and free of macro-proppant structure of the pile product is homogeneous in the surface
  • Pile layer or an additional fiber layer is provided.
  • the sheet-piled arrangement of the pile layer and the fiber layer which is formed exclusively by layering, obtains the aforementioned properties for the pile product formed according to the present disclosure.
  • the partial consolidation of the planar stacked arrangement can also be carried out homogeneously in the area, so that no impairment of the aforementioned advantages is to be feared.
  • the pile product formed from the at least one pile layer and the at least one further fiber layer
  • the fiber layer dispenses with a
  • the pile product according to the present disclosure may comprise one, two or more pile layers as well as one, two or more additional fiber layers, these layers each having a matching design or
  • Choice of the number and type of the respective layers can the desired properties and in particular the
  • Fiber blends are used.
  • At least one layer of the pile product i. At least one pile layer or at least one additional fiber layer is formed predominantly or completely from a fiber material which acts in the fiber composite material to be produced as the load-bearing fiber (short load-bearing fiber
  • Fibers This may in particular be a carbon fiber
  • Be glass fiber or a basalt fiber Further are Mixtures of the aforementioned fibers possible. More preferably, the proportion of load-bearing fibers in the pile product is generally 30% to 90%, with the different layers having different internal portions of the load-bearing fiber.
  • a pile layer and at least one fiber layer may be contained in the pile product, wherein the pile layer has a preferential orientation of the fibers contained in the fiber pile and the exclusive fiber orientation in the at least one other
  • the pile product may have a pile layer with a preferred orientation and a
  • Fiber orientation wherein the preferred direction and the exclusive fiber orientation are oriented substantially transverse to each other.
  • the pile product has a particularly high strength in the direction of the exclusive fiber orientation and a second unidirectionally increased strength in the
  • Preferred direction ie across the exclusive Fiber orientation. In all other directions, however, the strength may be lower.
  • pile layers can be provided in the planar stacked arrangement, each having a preferred orientation and wherein these
  • Preferred orientations are aligned transversely to each other. Such an arrangement is achieved in particular when a first pile layer is produced by longitudinal paneling or longitudinal laying and a second pile layer by transverse paneling or cross-laying.
  • Composite materials are usually deposited several layers of semi-finished fiber products in a mold. An additive forming the matrix of the composite is added. The structure thus formed
  • Semi-finished layers and filler material are subsequently or intermittently compressed and cured, in particular by heat input and compression.
  • a pile product according to the present disclosure comprising multiple plies can be used in spite of the opposite
  • the flat stacked arrangement in the semifinished state already have a desired directional distribution of strength, which is otherwise achieved only in the further processed state, namely by in the
  • Pile product according to the present disclosure comprises at least the following steps, which are executable in the specified or any other order:
  • Florlage is called a sheet-shaped pile on a
  • At least one web-shaped group of threads is deposited to form at least one further fiber layer above and / or below the pile layer,
  • the flat stacked arrangement of the pile product is partially solidified.
  • the partial solidification can be done by any solidification device.
  • Partial consolidation is achieved by the creation of local connection points between the fibers of the different Layers produced in the planar stacked arrangement, ie between the fibers of the one or more pile layers and the one or more additional fiber layers.
  • local connection points can in particular by
  • Hydroentangling be generated.
  • any other methods of partially bonding the sheet stacked array of the pile product may be used.
  • the partial solidification is preferably carried out in such a way that the local connection points are homogeneously distributed relative to the surface of the stacked arrangement.
  • the degree of partial consolidation i. the type or number of connection points generated per unit area may preferably be adjustable. Partial consolidation increases the internal integrity of the pile product, making it easier to handle. In particular, the supporting effect of a pile layer for an adjacent group of threads can be increased. However, the semi-solidified semi-finished product retains its drapability because the
  • connection points exist only locally, so that between the connection points still a free
  • Pile product according to the present disclosure comprises at least one conveyor and a Florableger for depositing a batt on the conveyor. By depositing the batt, a pile layer is created in the planar stacked arrangement of the pile product. The pile is in particular a in the withdrawal direction of the conveyor extending card web.
  • the production plant further comprises a Fadenscharableger, which is adapted to a
  • the yarn feeder stores the group of threads on the same conveyor on which the above-mentioned pile layer is stored.
  • the deposited yarn sheet can thus also form a web-shaped extending fiber layer in the planar stacked arrangement.
  • FIG. 1 shows an oblique view of the planar stacked arrangement of the pile product according to the invention
  • Figure 2 a first embodiment of the
  • FIG. 3 shows a cross-sectional representation of the planar stacked arrangement produced by the method according to FIG. 2;
  • Figure 4 a second embodiment of the
  • FIG. 5 shows a cross-sectional representation of the planar stacked arrangement produced by the method according to FIG. 4;
  • FIG. 10 An exemplary embodiment of the pile product according to the present disclosure is shown in FIG.
  • the pile product (10) is stacked by a flat
  • the at least one pile layer (12, 13) and the at least one further fiber layer (21, 22) are preferably web-shaped and extend in a take-off direction (AR), which is predetermined for example by the running direction of a conveying means.
  • AR take-off direction
  • both the lower and first pile layer (12) and the upper and second respectively
  • the pile layer (13) has a preferred direction (VR), in which a predominant portion of the fibers (17) contained in the fibrous web (16) is aligned.
  • a preferred direction (VR) for example, in the
  • the fibrous web (16) can be deposited directly and in one layer on a conveying device (30) to form a pile layer (12, 13).
  • the batt (16) can be paneled in two or more layers to form a pile layer (12, 13).
  • the yarn sheet (23) deposited to form an additional fiber layer (21, 22) is formed by a multiplicity of threads, in particular yarn threads (24), which lie in a common plane or web and at least
  • (23) contained threads, especially yarn threads (24), are unwoven and uncrossed monofilaments.
  • the exclusive fiber orientation (FA) is parallel to the extent of the threads (24) in the yarn sheet (23).
  • Spacing can be specified in order to achieve certain properties of the pile product.
  • FA exclusive fiber orientation
  • Staple fiber yarns or core yarns may contain recycled fibers, especially recycled carbon fibers or
  • a filament yarn may consist of a single filament or of a small number of, for example, twisted filaments.
  • a filament is an endless fiber.
  • a roving is a strand or bundle of unconnected filaments.
  • the material of the pile layer and / or the at least one additional fiber layer can be of any type.
  • Fiber materials used include in particular load-bearing fibers such as carbon fibers, aramid fibers or mineral fibers such as glass fibers or basalt fibers. Also, the fibers of a pile layer may be partially or fully recycled fibers.
  • load-bearing fibers such as carbon fibers, aramid fibers or mineral fibers such as glass fibers or basalt fibers.
  • the fibers of a pile layer may be partially or fully recycled fibers.
  • Additional fiber layer may consist mainly or completely of one of the aforementioned fiber materials.
  • one or each ply layer as well as one or more additional fiber ply may consist of a blend of two or more of the aforementioned fiber materials.
  • fibers of such material may be contained in the fiber to be produced
  • Composite material acts as a matrix-forming component (in short, matrix fibers).
  • fibers of a fusible plastic thermoplastic
  • Such a fiber content can, for example, during thermobonding for partial consolidation of the surface stacked arrangement (11) of the pile product (10) serve by isolated by local melting
  • Bonding points between the fibers of the different layers (12, 13, 21, 22) are formed.
  • local connection points in each of the aforementioned material combinations can also be produced by local confusion of individual fibers of the various layers of the pile product, in particular by needlepunching or by hydroentangling.
  • Fiber layers acting as a matrix-forming component should be so high that they completely form the matrix of the composite to be manufactured, i. that a component in a subsequent manufacturing process can be formed exclusively from the semifinished product according to the present disclosure, without additionally having to be supplied with a matrix-forming material.
  • the proportion of thermoplastic fibers in the fiber layer and / or in the pile layer may preferably account for more than 50% and in particular more than 70%, so that the subsequent addition of a further matrix-forming substance in the production of components from the semi-finished products can be dispensed with.
  • the three lower layers (12, 21, 13) of the pile product shown in FIG. 1 form a first particularly preferred embodiment variant of the pile product according to the disclosure.
  • Fiber orientation (FA) of the fiber layer (21) is parallel to the matching preferred direction (VR) of both
  • the upper and the lower Pile layer (12, 13) envelop the yarn sheet (23) contained in the fiber layer (21) and support it or protect the yarns (24) contained in the yarn sheet (23) from external influences.
  • Figure 2 shows a first embodiment of the
  • the paneling shown in Figure 2 of the batt directly on a transport device (30) or on a previously deposited other pile layer done.
  • the preferred direction (VR) of the batt (16) is oriented parallel to the withdrawal direction (AR) of the conveyor (30).
  • This storage variant is called longitudinal laying.
  • each sheet pile is part of a belt loop and the front sheet edge (26) becomes straight
  • Each sheet layer (18, 19, 20) includes a lower fibrous batt that is formed in a deposition movement directed counter to the withdrawal direction (AR) and an upper batt oriented during one in the same direction as the withdrawal direction (AR)
  • Depositing movement is generated.
  • the depositing movement is preferably generated by a laying carriage of a Florablegers (42). Instead of a loop tray, a Florablegers (42).
  • Plane tray be provided.
  • a patch may be formed by separating rectangular pieces of web from the fed web.
  • FIG. 3 shows, by way of example, a cross-sectional representation through the planar stacked arrangement (11) which is produced in the deposition method according to FIG.
  • the fiber layer (21) contains a yarn sheet (23) formed by numerous individual threads (24).
  • the monofilaments are arranged substantially exclusively adjacent to each other, so that the additional
  • Fiber layer (21) has a particularly low thickness.
  • This fibrous pieces together form a pile layer (12).
  • a further pile layer (13) may be arranged under the fiber layer (21).
  • This further pile layer (13) may also be laid longitudinally, like the pile layer (12) shown in FIG.
  • the further pile layer (13) could be a transverse
  • FIG. 4 shows a second embodiment variant for the
  • a batt (14) which is referred to as cross-laying or cross-laying.
  • the tray can be made in loop form or in the form of patches. While the conveyor (30), for example, with a
  • Continuous speed in the drawing direction (AR) is moved transversely to the batt (16) is supplied in a reciprocating motion and stored.
  • These Reciprocating motion is preferably generated by a laying carriage.
  • Each panel layer (18, 19, 20) comprises a first piece of fibrous material, which is deposited in a forward movement and a second
  • Fibrous piece which is deposited in the opposite movement.
  • the reciprocating movement is oriented in each case transversely to the withdrawal direction (AR).
  • a layer closure is preferably produced between the respectively uppermost sheet position to be newly added and the lowest sheet layer layer (18).
  • the leading edge (26) of the just-added sheet (not numbered) is positioned to lie just above the trailing edge of the first sheet (18).
  • Preferred direction (VR) in the batt (16) are also aligned transversely to the withdrawal direction (AR).
  • Longitudinal or a crosslapper has the advantage that only one Florableger a pile layer (12) can be produced, the thickness of which is significantly larger and in particular a multiple of the thickness of the supplied batt (16).
  • Figure 5 shows a cross section through the in the
  • a second pile layer (15) may in particular be a further transversely placed pile layer.
  • a further longitudinal pile layer may be provided.
  • two or more along the withdrawal direction (AR) arranged depositing devices (40, 41, 42, 43, 44) may be arranged, each having different pile layers
  • FIGS. 6 and 7 show examples of one
  • Yarn feeder (40), a Florableger (42) in the form of a Lekslegers, a second Fadenscharableger (41) and a solidification device (46) are arranged.
  • the common conveyor (30) consists of one, two or more in a common direction
  • first a first fiber layer (21) is deposited by a yarn feeder (40).
  • this fiber layer (21) forms the lowest layer of the surface stacked
  • the Fadenscharableger (40) can be configured arbitrarily. He can, for example, one or more
  • a suitable take-off device can form a group of yarns from the majority of these yarn threads and place them on the conveying device (30).
  • the Fadenscharableger (40) may be in particular a thread tree or warp beam or include a thread tree or warp beam.
  • the yarn feeder may comprise a yarn producer, in particular a plurality of filament yarn producers.
  • a yarn producer in particular a plurality of filament yarn producers.
  • Filament yarn are issued or deposited by a filament yarn producer directly on the conveyor (30). Alternatively, a deduction and
  • Depositing device be interposed to form of the plurality of filament yarns a yarn sheet (23) and store them.
  • Longitudinal (42) can have any training.
  • it comprises a laying carriage (50) movable parallel to the take-off direction (AR), by means of which a free end of a fiber pile (16) fed to the longitudinal loader (42) is laid down in a reciprocating motion.
  • the feeding of the batt (16) to the laying carriage (50) can preferably take place via a likewise longitudinally movable deflection carriage (52).
  • a loop or a band memory (51) within the Lekslegers (42) may be formed to the
  • the batt (16) is transported via a feed belt (49) to the Florableger (42).
  • a pile supply position (45) In front of the feed belt (49) is arranged a pile supply position (45), which is designed here as a pile producer in the form of a card.
  • the production of unconsolidated fibrous webs by a carding machine is known in practice.
  • a card points A card points
  • a large garnished roll which forms the so-called. Tambour (48).
  • fibers taken from a flake chamber (47) are taken along and shaped or combed into a fluffy or cotton-like pile.
  • doffer rollers the flaky or cotton-like structure is removed from the spool (48) and possibly formed with slight compression to the batt (16).
  • Florbrwolf (45) are present.
  • Florableger (42) arranged a second Fadenscharableger (41), which may have the same configuration as the aforementioned first Fadenscharableger (40).
  • a second Fadenscharableger (41) By the second Fadenscharableger (41) a second fiber layer (22) is deposited on the previously formed pile layer (12).
  • a solidification device 46
  • a needle machine or a needle work. Such machines are known in practice.
  • the needle loom comprises a needle bar having a plurality of substantially perpendicular to the
  • Conveyor (30) oriented needles is stocked. By an up and down movement of the needle bar, the needles are inserted into the planar stacked arrangement (11) and pulled out again.
  • each of the needles can take along one or a few fibers from the various layers (21, 12, 22) and reorient at least some of the entrained fiber and, if appropriate, bring it into an adjacent layer.
  • a Fadenscharableger (40, 41) may optionally be built much smaller than a card or a corresponding other pile generator (45). It is thus simpler in terms of production technology, two or more
  • Fadenscharableger (40, 41) along the withdrawal direction (AR) of a (common) conveyor (30)
  • Fadenscharablegers (40), a Llindslegers (42) and a second Fadenscharablegers (41) provides a particularly simple and inexpensive and therefore preferred
  • Embodiment variant for a production plant (60) according to the present disclosure.
  • Embodiment of a production plant 60.
  • a first Florableger (43), a Fadenscharableger (40) and a second Florableger (44) are arranged one behind the other.
  • At least the second Florableger (44) may preferably as Querleger (also called Buchleger)
  • Florbholenell (45) can be one of the above
  • a first felt layer (14) is deposited.
  • a fiber layer (21) by depositing a Filament bundle (23) formed and in turn on a second pile layer (15) is stored.
  • the planar arrangement (11) can be supplied to a solidification device (46). Modifications of the invention are possible in various ways. In particular, those to the individual
  • Variant may be connected to a common
  • Florableger be arranged in training as a longitudinal.
  • the two Florableger can each be connected to its own Flor hole ein (45).
  • Florbrwolf in particular a common card or a common Haittelschachtspeiser or
  • At least one batt with at least one Carrying tape can be wound on a roll.
  • Such a batt can, together with the fastener tape on the
  • an additional fiber layer can be deposited on the unwound Faserflor. Furthermore, one or more additional pile layers or fiber layers
  • planar stacked arrangement may optionally be rewound together with the fastener tape.
  • the pile and / or the planar stacked arrangement can be used to increase the
  • Roll-up or winding suitability can be easily consolidated. It is also possible to form a flat stacked arrangement by a fiber layer and, if necessary, another nonwoven layer on a unwound fleece
  • Solidification can be done, especially by light needling.
  • the above-mentioned method can optionally be carried out in several stages in succession, so that, for example, at the entrance of the production plant either a single batt or an already previously formed areal stacked arrangement is supplied.
  • the planar stacked assembly according to the present disclosure is preferably formed free of suture or stapling agents that would interfere with the homogeneity of the pile product in the surface.
  • the at least one pile layer and the at least one further fiber layer are in each case unsewn and un-stitched individually and with one another. Due to the absence of additional seam ⁇ or stitching means it is achieved that the
  • Preference folds are avoided, which is often due to a cross seam or an additional stapling agent.
  • an alternating stacking sequence of one pile layer (12, 13) and one additional fiber layer (21, 22) is preferably provided.
  • the present disclosure comprises as a separate aspect a production method for producing a pile product as described above. It comprises the following steps:
  • the production method preferably further comprises the steps of: partially consolidating the planar stacked arrangement (11) of the pile product (10) by generating local
  • the manufacturing process may include all features disclosed individually or in combination with the products and equipment described above.
  • nonwoven fibrous web nonwoven

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein bahnförmiges Halbzeug für die Fertigung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen, ein Verfahren zur Herstellung des Halbzeugs sowie eine zugehörige Produktionsanlage. Das Halbzeug umfasst eine teilverfestigte flächig gestapelte Anordnung (11) aus mindestens einer Florlage (12, 13, 14, 15) aus einem ungewebten Faserflor (16) und mindestens einer weiteren bahnförmigen Faserlage (21, 22). Die mindestens eine Florlage (12, 13, 14, 15) ist vorwiegend oder vollständig aus Karbonfasern, Aramidfasern oder mineralischen Fasern wie Glasfasern oder Basaltfasern gebildet und die in der Florlage (12, 13) enthaltenen Fasern (17) weisen eine Vorzugsorientierung (VR) auf. Die flächig gestapelte Anordnung ist ausschließlich durch Schichtung gebildet, wobei die mindestens eine Florlage und die mindestens eine Faserlage frei von zusätzlichen Makro-Stützmitteln sind. Die weitere Faserlage (21, 22) ist durch eine bahnförmige Fadenschar (23, 24) aus nebeneinander angeordneten Einzelfäden gebildet. Sie ist ferner vorwiegend oder vollständig aus Karbonfasern, Aramidfasern oder mineralischen Fasern wie Glasfasern oder Basaltfasern gebildet hat und eine exklusive Faserausrichtung (FA). Das Florprodukt ist durch lokale Verbindungspunkte zwischen den Fasern der verschiedenen Lagen teilverfestigt, sodass das Halbzeug eine hohe direktionale Festigkeit und gleichzeitig eine maximale Drapierfähigkeit aufweist.

Description

Florprodukt mit unidirektional erhöhter Festigkeit zur Herstellung von CFK-Bauteilen BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Florprodukt, insbesondere ein technisches Florprodukt zur Verwendung als Halbzeug für die Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen, insbesondere CFK-Bauteilen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Florproduktes sowie eine zugehörige Produktionsanlage . In der Praxis ist es bekannt Florprodukte aus einer oder mehreren Florlagen zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen zu verwenden. Die bekannten
Florprodukte weisen gegenüber ebenfalls bekannten
Fasergeweben und Fasergelegen eine deutlich bessere
Drapierfähigkeit ( 3D-Verformbarkeit ) auf. Dies liegt insbesondere daran, dass die in einem Faserflor
enthaltenen Fasern nur eine vergleichsweise geringe Zahl an Verbindungspunkten zwischen den Einzelfasern
aufweisen. Ein Florprodukt kann somit bei geringer
Rissneigung und ohne Faltenbildung in deutlich größerem Umfang drapiert werden, d.h. an eine beliebige
dreidimensionale Raumform unter Abweichung von der im Ursprungsprodukt ebenen Ausdehnung angeformt werden.
Ferner bieten Florprodukte den Vorteil, dass zu deren Herstellung kürzere Fasern und ggfs. recycelte Fasern verwendet werden können. Ein großer Teil des bei der Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen erzeugten Verschnitts oder der gesamte Verschnitt kann somit wiederverwendet werden.
Die bisher bekannten Florprodukte zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen weisen für die in der Praxis üblichen Herstellungsverfahren keine optimalen Festigkeitseigenschaften auf.
Die in einem Faserflor enthaltenen Fasern können eine Vorzugsorientierung haben. Es wird jedoch ein nicht unerheblicher Anteil der Fasern in dem Faserflor eine Wirr-Orientierung haben und damit von der
Vorzugsorientierung abweichen, so dass die direktionale Festigkeit in der Vorzugsorientierungsrichtung nur wenig mehr als die Festigkeit in der quer dazu liegenden
Richtung beträgt. Für die Fertigung von Bauteilen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen werden teilweise deutlich höhere direktionale Festigkeiten erwünscht.
WO 2012/059538 AI offenbart einen Vliesstoff, der als Halbzeug für die Fertigung von faserverstärkten
Verbundwerkstoffen nutzbar ist, und ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Der Vliesstoff wird aus einem textilen Flächengebilde erzeugt, das eine oder mehrere Florschichten und ein Verstärkungsgitter umfasst. Eine Florschicht ist in der WO 2012/059538 AI und gemäß der im technischen Gebiet geläufigen Definition eine lose
Schicht aus wirr ineinander verschlungenen Einzelfasern, die nicht verfestigt sind. Demgegenüber ist ein Vlies oder ein Vliesstoff eine bspw. durch Vernadelung
verfestigte Florschlicht. Das Verstärkungsgitter umfasst zumindest die strukturellen Bestandteile „Streben" und „Kreuzungspunkte". Das Halbzeug wird gebildet durch:
Herstellen einer Florschicht (unverfestigt ) und Ablegen der Florschicht als Bahn; Aufbringen des
Verstärkungsgitters auf der Florschicht; Verfestigung der aufeinander aufgebrachten Lagen, beispielsweise durch Vernadeln .
Das gemäß der WO 2012/059538 AI hergestellte Halbzeug weist eine etwas verbesserte Drapierfähigkeit gegenüber reinen Gelegen auf. Allerdings umfasst das Halbzeug zwingend Kreuzungspunkte zwischen den Fasern des
Verstärkungsgitters, die zu lokal inhomogenen
Oberflächeneigenschaften führen. Bspw. wird eine lokal unterschiedliche Aufnahmefähigkeit für einen Matrix- Werkstoff bedingt und die Kreuzungspunkte führen zu einem Schachbrettmuster auf der Oberfläche des aus dem Halbzeug zu fertigenden Bauteils.
DE 34 11 074 AI offenbart ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Bildung eines Faservlieses. Einzelfasern aus einem zugeführten Faserstrom werden durch eine oder mehrere changierende Dosiereinrichtungen sukzessive auf einem Transportband abgelegt, um das Faservlies zu bilden. Auf dem Transportband kann weiterhin ein
vorgefertigtes Flächengebilde zugeführt werden, auf dem dann das Faservlies durch die Ablage der Fasern gebildet wird .
DE 102 05 829 AI offenbart ein Lagenmaterial für
Bauprodukte und ein zugehöriges Herstellungsverfahren. Eine obere und eine untere Lage werden aus einem
Vliesstoff gebildet. Dazwischen wird eine Stützstruktur aus zumindest zwei Einzelfäden vorgesehen, wobei einer der Fäden in einer oszillierenden Form abgelegt ist. Wenn mehrere Einzelfäden abgelegt werden, werden diese so angeordnet, dass sie einander zumindest teilweise
überkreuzen. Die Oberlage, die Unterlage und die
dazwischen angeordnete Stützstruktur werden miteinander verbunden, bspw. durch Verklebung, Vernadelung,
Wasserstrahlverfestigung oder Thermobondieren. Die
Vliesstoffe für die Oberlage und die Unterlage werden durch eine Spinnvliesherstellungseinrichtung und/oder eine Meltblown-Vliesstoffherstellungseinrichtung erzeugt und enthalten demgemäß Filamente. Spinn- und Meltblown- Verfahren sind nicht zur Handhabung der üblichen
Stapelfasern geeignet, die als lasttragende Komponente in einem kardierten Faserflor aufgenommen sind und für einen faserverstärkten Verbundwerkstoff dienen.
DE 197 15 740 AI offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Vliesen für textile Bodenbeläge, insbesondere
Teppiche. Von einem Rüttelkasten mit ausgangsseitigen Walzen wird ein Faserflor auf ein bereits verfestigtes Trägervlies oder Trägergewebe aufgelegt. Anschließend wird der Verbund in einer Nadelmaschine nochmals
verfestigt.
DE 10 2009 019 175 AI beschreibt ein Verfahren zur
Herstellung einer Verstärkungsstruktur aus einem
faserartigen Material, das mindestens eine Vliesauflage aufweist, die aus recyceltem Fasermaterial besteht, das bspw. aus Verschnittabfällen gewonnen wird. Die Verstärkungsstruktur wird gebildet, indem zunächst die recycelten Fasern vorbereitet werden. Es erfolgt eine mechanische Vliesbildung. Diese umfasst die Vorgänge Krempeln, wobei eine Faserorientierung erzeugt wird, und eine Fixierung bzw. Stabilisierung durch Vernadeln. Somit wird ein verfestigtes Vlies, bzw. ein Vliesstoff aus recycelten Fasern hergestellt. Neben dieser separat verfestigten Vlieslage kann die Verstärkungsstruktur eine Lage unidirektional ausgerichteter Verstärkungsfasern aufweisen, wobei diese beiden Lagen mit einer
Sekundärstruktur durchsetzt werden, die aus mindestens einem Faden besteht und die beiden Lagen miteinander verbindet, bspw. indem die Lagen mit dem Faden vernäht werden oder indem die Lagen mit einer Gewebestruktur, einem Gewirk oder einem Gestrick durchsetzt werden.
DE 10 2011 000 722 AI offenbart ein Verfahren zur
Herstellung eines Faserhalbzeugs, bei dem ein
Trägermaterial bereitgestellt wird, auf dem ausgerichtete Fasern abgelegt und flächig verteilt werden. Das
Trägermaterial kann ein Vlies sein, d.h. ein bereits verfestigtes Florprodukt. Das Trägermaterial mit den aufgebrachten Fasern wird einer Pressstrecke mit einem Kalander zugeführt, um die Faserelemente mit dem
Trägermaterial dauerhaft zu verbinden. Aus WO 2011/101094 AI ist ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Halbzeugs aus einem
Faserverbundwerkstoff bekannt. Faserflore mit gerichteten Carbonfasern werden mit Verstärkungsstrukturen aus
Endlosfaserstoffen in einer Schichtanordnung stofflich kombiniert. Die Schichtanordnung wird aufgeheizt, sodass eine in der Schichtanordnung enthaltene
Thermoplastkomponente erweicht oder schmilzt. Die
Schichtanordnung wird kompaktiert und unter Druck oder ohne zusätzlichen mechanischen Pressdruck abkühlend verfestigt. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Herstellungstechnologie für ein
technisches Florprodukt als ebenes oder bahnförmiges Halbzeug für die Fertigung von faserverstärkten
Verbundwerkstoffen aufzuzeigen. Die
Herstellungstechnologie umfasst ein
Herstellungsverfahren, eine Produktionsanlage zur
Durchführung des Herstellungsverfahrens sowie das erzeugte Halbzeug.
Das Halbzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Florprodukt mit einer hohen Drapierfähigkeit und einer hohen unidirektionalen Festigkeit. Es weist ferner eine gute Schneideignung auf.
Das Halbzeug bzw. das Florprodukt umfasst eine flächig gestapelte bzw. geschichtete Anordnung aus mindestens einer Florlage aus einem ungewebten Faserflor und
mindestens einer weiteren Faserlage. Die weitere
Faserlage ist der mindestens einen Florlage beigestapelt bzw. beigeschichtet und durch eine bahnformige Fadenschar gebildet. Diese Fadenschar hat eine exklusive
Faserausrichtung und ist aus nebeneinander angeordneten Einzelfäden gebildet. Die zusätzliche Faserlage ist somit frei von Kreuzungspunkten und weist ebenso wie die mindestens eine Florlage flächenhomogene Eigenschaften auf. Die gestapelte Anordnung wird insgesamt
teilverfestigt, sodass das Halbzeug einen fadenverstärkten Vliesstoff bildet. Bevorzugt wird ausschließlich die gestapelte Anordnung in ihrer
Gesamtheit teilverfestigt. D.h. weder die mindestens eine enthaltene Florlage noch die mindestens eine enthaltene Faserlage wird einem separaten Teilverfestigungsvorgang unterzogen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die mit der Teilverfestigung erzeugten lokalen
Verbindungspunkte im Wesentlichen homogen über die Fläche des Halbzeugs verteilt sind sowie sich im Wesentlichen homogen über den Querschnitt der gestapelten Anordnung verteilen. Hieraus werden im Wesentlichen homogen über das Halbzeug (flächig und im Querschnitt) verteilte freie Weglängen der enthaltenen Fasern zwischen den
Verbindungspunkten erreicht, sodass eine gleichförmige Drapierfähigkeit des Halbzeugs begünstigt wird. Die
Gleichförmigkeit der Drapierfähigkeit ist neben dem Maß Drapierfähigkeit (Verformbarkeit) ein besonderer Vorteil, der durch das Halbzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung erreicht wird. Das Halbzeug bietet somit eine besonders gute Verarbeitbarkeit für die Fertigung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere unter Bildung von stark gekrümmten Formen.
Ein Faserflor ist ein mattenförmiges oder bahnförmiges Gemenge aus Einzelfasern oder Faserflocken, wobei je nach Herstellungsart des Faserflors eine Vorzugsorientierung der Fasern vorhanden sein kann, entlang der ein größerer Anteil der Fasern oder Faserteile ausgerichtet ist. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist der Faserflor ein mechanisch gebildeter Faserflor aus Stapelfasern. Er ist insbesondere ein kardierter Flor, der vorwiegend oder vollständig aus Matrix-Stapelfasern besteht. Durch die exklusive Faserausrichtung der Fadenschar wird die Festigkeit des Florproduktes insgesamt gegenüber der Festigkeit des Faserflors unidirektional erhöht, so dass auch die Festigkeit eines unter Verwendung des
Florproduktes herzustellenden Verbundwerkstoffs
unidirektional erhöht werden kann. Die Florlage und die Faserlage weisen jeweils für sich eine hohe
Drapierfähigkeit auf, da zwischen den enthaltenen Fasern in der Florlage sowie zwischen den enthaltenen Fäden in der Faserlage nur geringe Verbindungskräfte quer zur
Vorzugsrichtung bzw. quer zur Faserausrichtung vorliegen.
Die Florlage und die zusätzliche Faserlage weisen eine in der Fläche homogene Struktur auf. Das heißt, sie sind frei von zusätzlichen Makro-Stützstrukturen bzw. Makro- Stützmitteln wie Nähten oder Heftungen. Insbesondere kann die Fadenschar frei von Fadenkreuzungen, Haftgittern, Stütznähten oder ähnlichen in der Fläche wirkenden Naht¬ oder Haftmitteln sein. Mit anderen Worten kann die
Fadenschar bevorzugt ausschließlich aus nebeneinander abgelegten Fäden bestehen.
Sowohl die Florlage als auch die Faserlage lassen sich mit hoher Binnen-Beweglichkeit an dreidimensionale
Raumformen anpassen, ohne dass aus der (Makro-) Struktur der Florlage oder der Faserlage jeweils ein Faltenwurf oder eine bevorzugte Anriss-Stelle erzeugt würde. Die Festigkeitseigenschaften sowie die Drapierfähigkeit
(Verformungseigenschaften) sowohl der Florlage als auch der zusätzlichen Faserlage können daher in der Fläche homogen sein. Aufgrund der in der Fläche homogenen Struktur der
Florlage und der zusätzlichen Faserlage kann weiterhin eine homogene Aufnahmefähigkeit für einen matrixbildenden Verbundstoff erreicht werden, was bei der Fertigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff zu einem geringeren Gesamtgewicht führt. Ferner wird durch eine homogene und von Makro-Stützmitteln freie Struktur des Florproduktes ein in der Fläche homogenes
Erscheinungsbild des zu erzeugenden Verbundwerkstoffs erreicht. Ein teilweise unerwünschtes Schachbrettmuster oder Webmuster sowie damit einhergehende Nachteile für die Lackierbarkeit werden vermieden und zwar unabhängig davon, ob als äußere Randlage des Florprodukts eine
Florlage oder eine zusätzliche Faserlage vorgesehen ist. Die flächig gestapelte Anordnung aus der Florlage und der Faserlage, die ausschließlich durch Schichtung gebildet ist, erhält die vorgenannten Eigenschaften für das gemäß der vorliegenden Offenbarung gebildete Florprodukt bei. Die Teilverfestigung der flächig gestapelten Anordnung kann ebenfalls in der Fläche homogen ausgeführt werden, sodass keine Beeinträchtigung der vorgenannten Vorteile zu befürchten ist.
Während die Fäden in der Fadenschar den Vorteil einer unidirektionalen Festigkeitserhöhung für das Florprodukt beitragen, wird aus der Florlage zumindest eine
Stützfunktion für die Fäden erzeugt, welche ein zu leichtes Aufreißen der in der Fadenschar enthaltenen Fäden quer zur Faserausrichtung bzw. Fadenrichtung verhindert. Das aus der mindestens einen Florlage und der mindestens einen weiteren Faserlage gebildete Florprodukt weist somit gegenüber vergleichbaren Halbzeugen aus einem Gewebe oder einem gestützten Fadengelege ebenbürtige bzw. erhöhte direktionale Festigkeiten und gleichzeitig eine verbesserte Handhabbarkeit auf. Insbesondere verzichtet die Faserlage auf eine
Stützstruktur, wie dies bei Gelegen, Gestricken, Gewirken und sonstigen üblichen Verfestigungsstrukturen der Fall ist. Die Querfestigkeit der Einzelfäden in der Faserlage wird in dem Halbzeug erst bzw. nur durch die
Teilverfestigung mit einer benachbarten Florlage erzielt.
Das Florprodukt gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine, zwei oder mehr Florlagen sowie eine, zwei oder mehr zusätzliche Faserlagen umfassen, wobei diese Lagen jeweils eine übereinstimmende Ausbildung oder
unterschiedliche Ausbildungen haben können. Durch die
Wahl der Anzahl und Art der jeweiligen Lagen können die erwünschten Eigenschaften und insbesondere die
direktionalen Festigkeiten des Florprodukts weitgehend frei eingestellt werden. Ferner können in den einzelnen Lagen gleiche oder unterschiedliche Fasern oder
Fasergemische verwendet werden.
Mindestens eine Lage des Florprodukts, d.h. mindestens eine Florlage oder mindestens eine zusätzliche Faserlage ist vorwiegend oder vollständig aus einem Fasermaterial gebildet, das in dem zu fertigenden Faserverbundwerkstoff als die lasttragende Faser wirkt (kurz lasttragende
Fasern) . Dies kann insbesondere eine Karbonfaser,
Aramidfaser oder eine mineralische Faser wie eine
Glasfaser oder eine Basaltfaser sein. Ferner sind Mischungen der vorgenannten Fasern möglich. Besonders bevorzugt liegt der Anteil der lasttragenden Fasern in dem Florprodukt insgesamt bei 30% bis 90%, wobei die verschiedenen Lagen unterschiedliche Binnenanteile der lasttragenden Faser haben können.
Gemäß einem ersten Aspekt können in dem Florprodukt eine Florlage und mindestens eine Faserlage enthalten sein, wobei die Florlage eine Vorzugsorientierung der in dem Faserflor enthaltenen Fasern aufweist und die exklusive Faserausrichtung in der mindestens einen weiteren
Faserlage im Wesentlichen parallel zu dieser
Vorzugsorientierung ausgerichtet ist. Durch die
Parallelität zwischen der Vorzugsrichtung und der exklusiven Faserausrichtung wird ein Maximum an
unidirektionaler Festigkeit in dieser Parallelrichtung kombiniert mit einem Minimum an unidirektionaler
Festigkeit in der Querrichtung. Die Festigkeit in der Parallelrichtung kann ein Vielfaches der Festigkeit in der Querrichtung betragen. Gemäß einem zweiten Aspekt kann das Florprodukt eine Florlage mit einer Vorzugsorientierung und eine
zusätzliche Faserlage mit einer exklusiven
Faserausrichtung enthalten, wobei die Vorzugsrichtung und die exklusive Faserausrichtung im Wesentlichen quer zueinander orientiert sind. Ein solcher Art erzeugtes
Florprodukt weist eine besonders hohe Festigkeit in der Richtung der exklusiven Faserausrichtung auf sowie eine zweite unidirektional erhöhte Festigkeit in der
Vorzugsrichtung, d.h. quer zu der exklusiven Faserausrichtung. In allen übrigen Richtungen kann die Festigkeit hingegen geringer sein.
Weiterhin können zwei oder mehr Florlagen in der flächig gestapelten Anordnung vorgesehen sein, die jeweils eine Vorzugsorientierung aufweisen und wobei diese
Vorzugsorientierungen quer zueinander ausgerichtet sind. Eine derartige Anordnung wird insbesondre erreicht, wenn eine erste Florlage durch Längstäfeln oder Längslegen und eine zweite Florlage durch Quertäfeln oder Querlegen erzeugt wird.
Bei der Herstellung von faserverstärkten
Verbundwerkstoffen werden in der Regel mehrere Schichten aus Faser-Halbzeugen in einer Form abgelegt. Ein die Matrix des Verbundwerkstoffs bildender Zusatzstoff wird beigefügt. Die so gebildete Struktur aus
Halbzeugschichten und Zusatzwerkstoff werden anschließend oder intermittierend komprimiert und ausgehärtet, insbesondere durch Wärmeeintrag und Verpressen.
Ein Florprodukt gemäß der vorliegenden Offenbarung, das mehrere Lagen umfasst, kann trotz der gegenüber
einlagigen Geweben oder Fasergelegen erhöhten Dicke bzw. trotz des erhöhten Flächengewichtes eine hohe
Drapierfähigkeit und eine gute Durchlässigkeit für einen die Matrix bildenden Zusatzstoff aufweisen. Ferner kann die flächig gestapelte Anordnung im Halbzeug-Zustand bereits eine erwünschte direktionale Verteilung der Festigkeit haben, die sonst erst im weiter verarbeiteten Zustand erreicht wird, nämlich durch die bei der
Bauteilherstellung erfolgende Überlagerung von Halbzeugschichten. Somit kann durch die Aufbringung von nur einer Halbzeug-Schicht aus dem Florprodukt gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Strukturgebilde für ein herzustellendes Bauteil geschaffen werden, das bei der Verwendung von Geweben oder Gelegen nur durch
sequentielles Aufbringen von mehreren Halbzeug-Schichten zu erreichen wäre. Durch die Verwendung des Florprodukts gemäß der vorliegenden Offenbarung kann also die Anzahl der Halbzeug-Schichtungsvorgänge für die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen reduziert werden, was Kosten- und Zeitvorteile bringt.
Ein Herstellungsverfahren zur Erzeugung eines
Florproduktes gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst zumindest die folgenden Schritte, die in der angegebenen oder einer beliebigen anderen Reihenfolge ausführbar sind :
Es wird eine flächig gestapelte Anordnung aus mindestens einer Florlage aus einem ungewebten Faserflor und mindestens einer weiteren Faserlage gebildet. Die
Florlage wird als bahnförmige Florlage auf einer
Fördereinrichtung abgelegt. Mindestens eine bahnförmige Fadenschar wird zur Bildung mindestens einer weiteren Faserlage über und/unter der Florlage abgelegt,
insbesondere auf derselben Fördereinrichtung.
Die flächig gestapelte Anordnung des Florprodukts wird teilverfestigt. Das Teilverfestigen kann durch eine beliebige Verfestigungseinrichtung geschehen. Die
Teilverfestigung wird durch die Erzeugung von lokalen Verbindungspunkten zwischen den Fasern der verschiedenen Lagen in der flächig gestapelten Anordnung erzeugt, d.h. zwischen den Fasern der ein oder mehreren Florlagen und der ein oder mehreren zusätzlichen Faserlagen. Derartige lokale Verbindungspunkte können insbesondere durch
Thermobondieren, durch Vernadeln oder durch
Wasserstrahlverfestigen erzeugt werden. Alternativ können beliebige andere Verfahren zum Teilverfestigen der flächig gestapelten Anordnung des Florprodukts verwendet werden. Die Teilverfestigung wird bevorzugt derart ausgeführt, dass die lokalen Verbindungspunkt bezogen auf die Fläche der gestapelten Anordnung homogen verteilt sind .
Das Maß der Teilverfestigung, d.h. die Art oder Anzahl der pro Flächeneinheit erzeugten Verbindungspunkte, kann bevorzugt einstellbar sein. Durch die Teilverfestigung wird der Binnenzusammenhalt des Florproduktes erhöht, so dass dieses leichter handhabbar wird. Insbesondere kann die Stützwirkung einer Florlage für eine benachbarte Fadenschar erhöht werden. Das teilverfestigte Halbzeug behält jedoch seine Drapierfähigkeit bei, weil die
Verbindungspunkte nur lokal vorhanden sind, sodass zwischen den Verbindungspunkten noch eine freie
Beweglichkeit der Fasern bzw. Fäden erhalten bleibt.
Eine Produktionsanlage zur Herstellung eines
Florproduktes gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst zumindest eine Fördereinrichtung und einen Florableger zum Ablegen eines Faserflors auf der Fördereinrichtung. Durch das Ablegen des Faserflors wird eine Florlage in der flächig gestapelten Anordnung des Florprodukts geschaffen. Die Florlage ist insbesondere eine sich in der Abzugsrichtung der Fördereinrichtung erstreckende Florbahn. Die Produktionsanlage umfasst weiterhin einen Fadenscharableger, der dazu ausgebildet ist, eine
Fadenschar der Florlage zuzustapeln. Dabei kann
insbesondere vorgesehen sein, dass der Fadenscharableger die Fadenschar auf derselben Fördereinrichtung ablegt, auf der auch die oben genannte Florlage abgelegt wird. Die abgelegte Fadenschar kann somit ebenfalls eine sich bahnförmige erstreckende Faserlage in der flächig gestapelten Anordnung bilden.
In den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen sind weitere
vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
Figur 1: eine Schrägbilddarstellung der flächig gestapelten Anordnung des offenbarungsgemäßen Florprodukts ;
Figur 2: eine erste Ausführungsvariante zum
Ablegen einer Florlage und einer zusätzlichen Faserlage auf einer
Fördereinrichtung;
Figur 3: eine Querschnittsdarstellung der durch das Verfahren gemäß Figur 2 erzeugten flächig gestapelten Anordnung;
Figur 4: eine zweite Ausführungsvariante zum
Ablegen einer Florlage und einer weiteren Faserlage auf einer
Fördereinrichtung;
Figur 5: eine Querschnittsdarstellung der durch das Verfahren gemäß Figur 4 erzeugten flächig gestapelten Anordnung;
Figur 6: eine erste bevorzugte
Ausführungsvariante einer
Produktionsanlage gemäß der vorliegenden Offenbarung; eine zweite bevorzugte
Ausführungsvariante der
Produktionsanlage .
Eine beispielhafte Ausführungsform des Florprodukts gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in Figur 1 gezeigt. Das Florprodukt (10) ist durch eine flächig gestapelte
Anordnung (11) gebildet. In der Anordnung (11) befinden sich mindestens eine Florlage (12,13) und mindestens eine weitere Faserlage (21,22). Die mindestens eine Florlage (12, 13) und die mindestens eine weitere Faserlage (21, 22) sind bevorzugt bahnformig und erstrecken sich in einer Abzugsrichtung (AR) , die beispielsweise durch die Laufrichtung eines Fördermittels vorgegeben ist.
In dem Beispiel von Figur 1 weisen sowohl die untere bzw. erste Florlage (12) als auch die obere bzw. zweite
Florlage (13) eine Vorzugsrichtung (VR) auf, in welcher ein überwiegender Anteil der in dem Faserflor (16) enthaltenen Fasern (17) ausgerichtet ist. Eine solche Vorzugsrichtung (VR) kann beispielsweise bei der
Herstellung des Faserflors in einer Karde (45) erzeugt werden, was weiter unten im Detail erläutert wird.
Der Faserflor (16) kann zur Bildung einer Florlage (12, 13) direkt und einlagig auf einer Fördereinrichtung (30) abgelegt werden. Alternativ kann der Faserflor (16) zwei oder mehrlagig zur Bildung einer Florlage (12, 13) aufgetäfelt werden. Weiter unten werden verschiedene Ausführungsvarianten zum täfelnden Ablegen eines
Faserflors erläutert. Die zur Bildung einer zusätzlichen Faserlage (21, 22) abgelegte Fadenschar (23) wird durch eine Vielzahl von Fäden, insbesondere Garnfäden (24) gebildet, die in einer gemeinsamen Ebene oder Bahn liegen und zumindest
nebeneinander angeordnet sind. Die in einer Fadenschar
(23) enthaltenen Fäden, insbesondere Garnfäden (24), sind unverwobene und ungekreuzte Einzelfäden.
Die exklusive Faserausrichtung (FA) ist parallel zu der Erstreckung der Fäden (24) in der Fadenschar (23) . Die Anzahl der in einer Fadenschar (23) enthaltenen Fäden, insbesondere Garnfäden (24), sowie deren laterale
Beabstandung können gezielt vorgegeben sein, um bestimmte Eigenschaften des Florproduktes zu erreichen. Je mehr Garnfäden (24) in einer zusätzlichen Faserlage (21, 22) enthalten sind bzw. je geringer der Abstand zwischen benachbarten Garnfäden (24) ist, desto höher wird der Grad der unidirektionalen Festigkeitssteigerung in dem Florprodukt entlang der exklusiven Faserausrichtung (FA) ausfallen und umgekehrt. Es können beliebige Garnarten zur Bildung der Garnfäden
(24) verwendet werden, beispielsweise Stapelfasergarne, Core-Garne oder Filamentgarne . Alternativ können Rovings oder gespreizte Rovings zur Bildung einer Faserschar abgelegt werden. In diesem Fall sind die Fäden des
Rovings derart zu sortieren und aufzufächern, dass diese ausschließlich nebeneinander angeordnet sind.
Stapelfasergarne oder Core-Garne können recycelte Fasern enthalten, insbesondere recycelte Karbon-Fasern bzw.
Kohle-Fasern, recycelte Aramid-Fasern oder recycelte Glasfasern. Ein Filamentgarn kann aus einem Einzel- Filament bestehen oder aus einer geringen Anzahl von beispielsweise verdrillten Filamenten. Ein Filament ist eine Endlosfaser. Ein Roving ist ein Strang oder Bündel aus unverbundenen Filamenten.
Das Material der Florlage und/oder der mindestens einen zusätzlichen Faserlage kann von beliebiger Art sein.
Insbesondere sind alle für die Herstellung von
faserverstärkten Verbundwerkstoffen bekannten
Fasermaterialien einsetzbar. Hierzu gehören insbesondere lasttragende Fasern wie Karbonfasern, Aramidfasern oder mineralische Fasern wie Glasfasern oder Basaltfasern . Auch die Fasern einer Florlage können teilweise oder vollständig recycelte Fasern sein. Eine bzw. jede Florlage und/oder eine oder jede
zusätzliche Faserlage kann vorwiegend oder vollständig aus einem der vorgenannten Fasermaterialien bestehen. Alternativ können eine oder jede Florlage sowie eine oder jede zusätzliche Faserlage aus einer Mischung von zwei oder mehr der vorgenannten Fasermaterialien bestehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können jeweils in einer oder mehreren Florlagen sowie in einer oder mehreren
zusätzlichen Faserlagen Fasern aus einem solchen Material enthalten sein, das in dem zu erzeugenden
Verbundwerkstoff als Matrix bildender Bestandteil wirkt (kurz Matrixfasern) . Es können insbesondere Fasern aus einem schmelzbaren Kunststoff (Thermoplast) enthalten sein. Ein solcher Faseranteil kann beispielsweise beim Thermobondieren zum Teilverfestigen der flächig gestapelten Anordnung (11) des Florprodukts (10) dienen, indem durch lokales Aufschmelzen vereinzelte
Bondierungspunkte zwischen den Fasern der verschiedenen Lagen (12, 13, 21, 22) gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich können lokale Verbindungsunkte bei jeder der vorgenannten Materialkombinationen auch durch lokale Verwirrung einzelner Fasern der verschiedenen Lagen des Florprodukts erzeugt werden, insbesondere durch Vernadeln oder durch Wasserstrahlverfestigen. Weiterhin kann ein Anteil der Fasern in den Florlagen und/oder in den
Faserlagen, die als Matrix bildender Bestandteil wirken (Matrixfasern) , so hoch sein, dass diese vollständig die Matrix des zu fertigenden Verbundwerkstoffes bilden, d.h. dass ein Bauteil in einem nachfolgenden Fertigungsvorgang ausschließlich aus dem Halbzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung gebildet werden kann, ohne dass zusätzlich ein matrixbildender Werkstoff zugeführt werden müsste. Der Anteil ans Thermoplast-Fasern in der Faserlage und/oder in der Florlage kann bevorzugt über 50% und insbesondere über 70% ausmachen, sodass auf die spätere Beigabe eines weiteren Matrix-bildenden Stoffes bei der Herstellung von Bauteilen aus den Halbzeugen verzichtet werden kann.
Die drei unteren Lagen (12, 21, 13) des in Figur 1 dargestellten Florproduktes bilden eine erste besonders bevorzugte Ausführungsvariante des offenbarungsgemäßen Florproduktes. Hier ist eine Faserlage (21) zwischen zwei Florlagen (12, 13) aufgenommen. Die exklusive
Faserausrichtung (FA) der Faserlage (21) ist parallel zu der übereinstimmenden Vorzugsrichtung (VR) beider
Florlagen (12, 13) orientiert. Die obere und die untere Florlage (12, 13) hüllen die in der Faserlage (21) enthaltene Fadenschar (23) ein und stützen diese bzw. schützen die in der Fadenschar (23) enthaltenen Fäden (24) gegenüber äußeren Einflüssen. Zur Erzielung dieser mechanischen Schutzwirkung ist es vorteilhaft, unabhängig davon wie viele Florlagen und Faserlagen das Florprodukt enthält, zumindest eine Faserlage (21) zwischen zwei Florlagen (12,13) aufzunehmen.
Wie weiter unten erläutert wird, ist es andererseits produktionstechnisch vorteilhaft, unabhängig davon wie viele Florlagen und Faserlagen das Florprodukt enthält, zumindest eine Florlage (12) zwischen zwei Faserlagen (21, 22) aufzunehmen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist eine beliebige Kombination von Florlagen (12, 13, 14, 15) mit Faserlagen (21,22) vorgesehen, wobei insbesondere deren Anzahl sowie die Kombination der Orientierungen von Vorzugsrichtungen und exklusiven Faserausrichtungen zur Erzielung
vorteilhafter Produkteigenschaften beliebig kombinierbar sind.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsvariante zum
täfelnden Ablegen eines Faserflors (16) auf einer
Transporteinrichtung (30). In dem gezeigten Beispiel erfolgt das Ablegen des Faserflors auf eine bereits abgelegte weitere Faserlage (21) . Alternativ kann das in Figur 2 gezeigte täfelnde Ablegen des Faserflors direkt auf eine Transporteinrichtung (30) oder auf eine bereits abgelegte andere Florlage erfolgen. Durch die in Figur 2 gezeigte Ablageform (Längsablegen eines Faserflors in Schlaufen mit geschuppter Anordnung) wird die Vorzugsrichtung (VR) des Faserflors (16) parallel zur Abzugsrichtung (AR) der Fördereinrichtung (30) orientiert. Diese Ablagevariante wird als Längslegen bezeichnet. Beim Längslegen werden zwei oder mehr Tafel- Lagen (18, 19, 20) in geschuppter Anordnung einander überlagernd abgelegt. Dies kann insbesondere durch einen Florableger (42) in Form eines Längslegers erfolgen. In dem Beispiel von Figur 2 werden jeweils drei Tafel- Lagen (18, 19, 20) zur Bildung einer Florlage (12) übereinander abgelegt. Die Tafel-Lagen (18, 19, 20) sind dabei unter Bildung eines Lagenschlusses zwischen der jeweils obersten Tafel-Lage und der untersten Tafel-Lage (18) zueinander versetzt. In dem Beispiel von Figur 2 ist jede Tafel-Lage Bestandteil einer Bandschlaufe und es wird die vordere Lagenkante (26) der gerade
aufzubringenden Tafel-Lage (ohne Bezugszeichen) so abgelegt, dass diese genau in vertikaler Richtung über der hinteren Lagenkante (27) der ersten Tafel-Lage (18) zu liegen kommt. Jede Tafel-Lage (18, 19, 20) enthält ein unteres Faserflorstück, dass bei einer entgegen der Abzugsrichtung (AR) gerichteten Ablegebewegung erzeugt wird, sowie ein oberes Faserflorstück, das während einer im Gleichsinn zur Abzugsrichtung (AR) orientierten
Ablegebewegung erzeugt wird. Die Ablegebewegung wird bevorzugt durch einen Legewagen eines Florablegers (42) erzeugt. Anstelle einer Schlaufenablage kann eine
Flächenstückablage vorgesehen sein. Ein Flächenstück kann bspw. durch Abtrennen von rechteckigen Bahnstücken aus dem zugeführten Faserflor gebildet werden. Figur 3 zeigt beispielhaft eine Querschnittsdarstellung durch die flächig gestapelte Anordnung (11), die bei dem Ablageverfahren gemäß Figur 2 erzeugt wird. Die Faserlage (21) enthält eine durch zahlreiche Einzelfäden (24) gebildete Fadenschar (23) . In dem Beispiel von Figur 3 sind die Einzelfäden im Wesentlichen ausschließlich nebeneinander angeordnet, sodass die zusätzliche
Faserlage (21) eine besonders niedrige Dicke aufweist.
Über der Faserlage (21) befinden sich zwei
Faserflorstücke, die zu der ersten Tafel-Lage (18) gehören, sowie jeweils zwei weitere Faserflorstücke, die zu der zweiten und der dritten Tafel-Lage (19, 20) gehören. Diese Faserflorstücke bilden gemeinsam eine Florlage (12). Gegebenenfalls kann unter der Faserlage (21) eine weitere Florlage (13) angeordnet sein. Diese weitere Florlage (13) kann ebenfalls längs gelegt sein, wie die in Figur 3 dargestellte Florlage (12) . Alternativ könnte die weitere Florlage (13) eine quergelegte
Florlage sein. Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsvariante für das
Ablegen eines Faserflors (14), die als Querablegen oder Kreuzlegen bezeichnet wird. Hier werden zwei oder mehr Tafel-Lagen (18, 19, 20) quer zur Abzugsrichtung (AR) der Fördereinrichtung (30) in geschuppter Anordnung einander überlagernd abgelegt. Die Ablage kann in Schlaufenform oder in Form von Flächenstücken erfolgen. Während die Fördereinrichtung (30) beispielsweise mit einer
kontinuierlichen Geschwindigkeit in der Abzugsrichtung (AR) bewegt wird, wird quer dazu der Faserflor (16) in einer Hin- und Herbewegung zugeführt und abgelegt. Diese Hin- und Herbewegung wird bevorzugt durch einen Legewagen erzeugt .
In dem Beispiel von Figur 4 werden ebenfalls an jedem Punkt in der Bahnrichtung drei Tafel-Lagen (18, 19, 20) übereinander abgelegt. Jede Tafel-Lage (18, 19, 20) umfasst dabei ein erstes Faserflorstück, das bei einer Hinbewegung abgelegt wird sowie ein zweites
Faserflorstück, das bei der entgegengesetzten Herbewegung abgelegt wird. Die Hin- und die Herbewegung sind jeweils quer zu der Abzugsrichtung (AR) orientiert.
Auch bei der Querablage wird bevorzugt ein Lagenschluss zwischen der jeweils obersten neu hinzuzufügenden Tafel- Lage und der untersten Tafel-Lage (18) erzeugt. In dem Beispiel von Figur 4 wird die vordere Lagenkante (26) der gerade hinzugefügten Tafel-Lage (ohne Bezugszeichen) so positioniert, dass sie genau über der hinteren Lagenkante der ersten Tafel-Lage (18) zu liegen kommt.
Da der Faserflor (16) quer zur Abzugsrichtung (AR) abgelegt wird, kann bei diesem Ablegeverfahren die beispielsweise von einer Krempel (45) erzeugte
Vorzugsrichtung (VR) im Faserflor (16) ebenfalls quer zur Abzugsrichtung (AR) ausgerichtet werden.
Auch bei dem in Figur 4 gezeigten Beispiel befindet sich unter der gerade abgelegten Florlage (14) bereits eine weitere Faserlage (21) . Alternativ kann das Querablegen eines Faserflors (16) direkt auf eine
Transportvorrichtung (30) oder auf eine bereits abgelegte andere Florlage erfolgen. Das täfelnde Bilden einer Florlage (12) durch einen
Längsleger oder einen Querleger hat den Vorteil, dass mit nur einem Florableger eine Florlage (12) erzeugt werden kann, deren Dicke deutlich größer und insbesondere ein Mehrfaches der Dicke des zugeführten Faserflors (16) ist.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch die bei dem
Ablageverfahren gemäß Figur 4 erzeugte flächig gestapelte Anordnung (11) . Sie unterscheidet sich von der in Figur 4 gezeigten Anordnung im Wesentlichen dadurch, dass die Tafel-Lagen (18, 19, 20) quer zur Abzugsrichtung (AR) abgelegt sind, so dass jeweils ein Falz auf dem quer zur Abzugsrichtung (AR) liegenden Außenrand des Florproduktes (10) zu liegen kommt.
Unterhalb der weiteren Faserlage (21) kann gegebenenfalls eine zweite Florlage (15) vorgesehen sein. Dies kann insbesondere eine weitere quer gelegte Florlage sein. Alternativ kann eine weitere längsgelegte Florlage vorgesehen sein.
Die in den Figuren 2 und 4 dargestellten Ablageverfahren können in beliebiger Weise miteinander und mit einer etwaig zwischengeschalteten Fadenablage kombiniert werden. Insbesondere können an einer Fördereinrichtung
(30) zwei oder mehr entlang der Abzugsrichtung (AR) angeordnete Ablagevorrichtungen (40, 41, 42, 43, 44) angeordnet sein, die jeweils unterschiedliche Florlagen
(12, 13, 14, 15) und Faserlagen (21, 22) zu einer flächig gestapelten Anordnung (11) des offenbarungsgemäßen
Florprodukts (10) hinzufügen. Figuren 6 und 7 zeigen Beispiele für eine
Produktionsanlage zur Herstellung eines Florprodukts gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Bei dem Beispiel von Figur 6 ist eine gemeinsame
Fördereinrichtung (30) vorgesehen, entlang deren
Abzugsrichtung (AR) hintereinander ein erster
Fadenscharableger (40), ein Florableger (42) in Form eines Längslegers, ein zweiter Fadenscharableger (41) sowie eine Verfestigungseinrichtung (46) angeordnet sind. Die gemeinsame Fördereinrichtung (30) besteht aus ein, zwei oder mehr in einer gemeinsamen Laufrichtung
(=Abzugsrichtung) angeordneten Förderbändern, die
bevorzugt mit einer einheitlichen Geschwindigkeit
angetrieben werden, so dass auf der gemeinsamen
Fördereinrichtung (30) durch stufenweises Hinzufügen von (bahnförmigen) Florlagen (12, 13, 14, 15) und Faserlagen (21, 22) die flächig gestapelte Anordnung (11) gebildet wird .
In dem oberen Teil von Figur 6 ist eine
Querschnittsdarstellung durch die Produktionsanlage (60) gezeigt, während die untere Hälfte von Figur 6 eine
Draufsicht zeigt.
Am Beginn der Fördereinrichtung (30) wird zunächst eine erste Faserlage (21) durch einen Fadenscharableger (40) abgelegt. Diese Faserlage (21) bildet in dem Beispiel von Figur 6 die unterste Lage der flächig gestapelten
Anordnung (11). Der Fadenscharableger (40) kann beliebig ausgebildet sein. Er kann beispielsweise eine oder mehrere
Speicherrollen mit vorgefertigten Garnfäden aufweisen. Eine geeignete Abzugsvorrichtung kann aus der Mehrzahl dieser Garnfäden eine Fadenschar bilden und diese auf der Fördereinrichtung (30) ablegen. Der Fadenscharableger (40) kann insbesondere ein Fadenbaum oder Kettbaum sein bzw. einen Fadenbaum oder Kettbaum beinhalten.
Alternativ kann der Fadenscharableger einen Garnerzeuger umfassen, insbesondere eine Mehrzahl von Filamentgarn- Erzeugern. Gegebenenfalls kann jeweils ein
Filamentgarnfaden von einem Filamentgarn-Erzeuger direkt auf die Fördereinrichtung (30) abgegeben bzw. abgelegt werden. Alternativ kann eine Abzugs- und
Ablagevorrichtung zwischengeschaltet sein, um aus der Mehrzahl von Filamentgarnen eine Fadenschar (23) zu bilden und diese abzulegen.
In der Abzugsrichtung (AR) der Fördereinrichtung (30) nachfolgend ist der Längsleger (42) angeordnet. Der
Längsleger (42) kann eine beliebige Ausbildung haben. In dem gezeigten Beispiel umfasst er einen parallel zu der Abzugsrichtung (AR) beweglichen Legewagen (50), durch den ein freies Ende eines dem Längsleger (42) zugeführten Faserflors (16) in einer Hin- und Herbewegung abgelegt wird. Die Zuführung des Faserflors (16) zu dem Legewagen (50) kann bevorzugt über einen ebenfalls längsbeweglichen Umlenkwagen (52) erfolgen. Durch den Umlenkwagen (52) kann eine Schlaufe bzw. ein Bandspeicher (51) innerhalb des Längslegers (42) gebildet sein, der zum
Geschwindigkeitsausgleich zwischen der Ausgabe des Faserflors an dem Legewagen (50) und der bevorzugt kontinuierlichen Zuführgeschwindigkeit des Faserflors (16) zu dem Leger (42) dient.
Der Faserflor (16) wird über ein Zuführband (49) zu dem Florableger (42) transportiert. Vor dem Zuführband (49) ist eine Florbereitstellung (45) angeordnet, die hier als Florerzeuger in der Form einer Karde ausgebildet ist. Die Herstellung von unverfestigten Faserfloren durch eine Karde ist in der Praxis bekannt. Eine Karde weist
beispielsweise eine große garnierte Walze auf, die den sog. Tambour (48) bildet. Auf dem Tambour (48) werden aus einer Flockenkammer (47) entnommene Fasern mitgenommen und zu einem flockigen bzw. watteartigen Flor geformt bzw. gekämmt. Durch mehrere Abnehmerwalzen wird das flockige oder watteartige Gebilde von dem Tambour (48) abgenommen und gegebenenfalls unter leichter Verdichtung zu dem Faserflor (16) geformt.
Alternativ kann eine beliebige andere Form einer
Florbereitstellung (45) vorliegen. Beispielsweise kann ein vorgefertigter Faserflor (16) von einem
Rollenspeicher abgenommen und dem Florableger (42) zugeführt werden. Wiederum alternativ kann ein
Florerzeuger (45) ein Rüttelschachtspeiser oder ein
Speiseschacht sein. Entlang der Abzugsrichtung (AR) der Fördereinrichtung (30) ist in dem Beispiel von Figur 6 hinter dem
Florableger (42) ein zweiter Fadenscharableger (41) angeordnet, der dieselbe Ausbildung haben kann wie der vorerwähnte erste Fadenscharableger (40). Durch den zweiten Fadenscharableger (41) wird eine zweite Faserlage (22) auf die zuvor gebildete Florlage (12) abgelegt.
Am Ende der Fördereinrichtung (30) kann als optionales Element eine Verfestigungseinrichtung (46) angeordnet sein, welcher die flächig gestapelte Anordnung (11) zugeführt. In dem dargestellten Beispiel von Figur 6 handelt es sich um eine Nadelmaschine bzw. ein Nadelwerk. Derartige Maschinen sind in der Praxis bekannt.
Die Nadelmaschine umfasst einen Nadelbalken, der mit einer Vielzahl von im Wesentlichen senkrecht zu der
Fördereinrichtung (30) orientierten Nadeln bestückt ist. Durch eine Auf- und Abbewegung des Nadelbalkens werden die Nadeln in die flächig gestapelte Anordnung (11) eingestochen und wieder herausgezogen. Dabei kann jede der Nadeln eine oder wenige Fasern aus den verschiedenen Lagen (21,12,22) mitnehmen und zumindest einen Teil der mitgenommenen Faser umorientieren und gegebenenfalls in eine benachbarte Lage einbringen. Durch die
umorientierten Faserteile werden vereinzelte
Verbindungspunkte zwischen den benachbarten Lagen (21,
12, 22) geschaffen, die zu einer teilweisen Verfestigung führen .
Ein Fadenscharableger (40, 41) kann gegebenenfalls deutlich kleiner gebaut sein, als eine Karde oder ein entsprechender anderer Florerzeuger (45) . Es ist somit produktionstechnisch einfacher, zwei oder mehr
Fadenscharableger (40, 41) entlang der Abzugsrichtung (AR) einer (gemeinsamen) Fördereinrichtung (30)
vorzusehen, als eine Mehrzahl von Längslegern (42) mit zugeordneten Florerzeugern (45) . Die in Figur 6
dargestellte Reihenanordnung eines ersten
Fadenscharablegers (40), eines Längslegers (42) und eines zweiten Fadenscharablegers (41) stellt eine besonders einfache und kostengünstige und daher bevorzugte
Ausführungsvariante für eine Produktionsanlage (60) gemäß der vorliegenden Offenbarung dar.
Figur 7 zeigt eine weitere vorteilhafte
Ausführungsvariante einer Produktionsanlage (60). Hier sind in der Abzugsrichtung (AR) der Fördereinrichtung (30) hintereinander ein erster Florableger (43), ein Fadenscharableger (40) und ein zweiter Florableger (44) angeordnet. Zumindest der zweite Florableger (44) kann bevorzugt als Querleger (auch Kreuzleger genannt)
ausgebildet sein. Bei einem Querleger (44) wird der
Faserflor (16) von einer Seite der Fördervorrichtung (30) her zugeführt, d.h. quer zur Abzugsrichtung (AR), so dass die Florbereitstellung (45) ebenfalls seitlich neben der Fördereinrichtung (30) angeordnet sein kann. Die
Florbereitstellung (45) kann dabei eine der oben
genannten Ausbildungen haben.
Im Beispiel von Figur 7 ist auch der erste Florableger (43) als Querableger ausgebildet. Er könnte alternativ - ähnlich zu der Darstellung in Figur 6 - als Längsleger (42) ausgebildet sein.
In der Abzugsrichtung (AR) der Fördereinrichtung (30) wird bei dem in Figur 7 dargestellten Verfahren zunächst eine erste Florlage (14) abgelegt. Auf dieser wird anschließend eine Faserlage (21) durch Ablegen einer Fadenschar (23) gebildet und wiederum darauf wird eine zweite Florlage (15) abgelegt. Auch in dem Beispiel von Figur 7 kann die flächig gestapelte Anordnung (11) einer Verfestigungseinrichtung (46) zugeführt werden. Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die zu den einzelnen
Ausführungsbeispielen beschriebenen, gezeigten oder beanspruchten Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder
weggelassen werden.
Gemäß einer nicht dargestellten bevorzugten
Ausführungsvariante können an einer gemeinsamen
Fördereinrichtung (30) in der Abzugsrichtung (AR)
hintereinander ein erster Florableger in Ausbildung als Längsleger, ein Fadenscharableger, sowie ein zweiter
Florableger in Ausbildung als Längsleger angeordnet sein. Die beiden Florableger können jeweils mit einer eigenen Florbereitstellung (45) verbunden sein. Alternativ können zwei oder mehr Florableger mit einer gemeinsamen
Florbereitstellung, insbesondere einer gemeinsamen Karde oder einem gemeinsamen Rüttelschachtspeiser oder
Speiseschacht verbunden sein. An der Karde können
insbesondere (für bestimmte Faserarten) von einem
einzigen Tambour (48) zwei oder mehr Faserflore (16) sequentiell abgenommen werden, die einerseits zu einem ersten Florableger und andererseits zu einem zweiten Florableger gefördert werden.
Eine weitere nicht dargestellt Ausführungsvariante sieht vor, dass zumindest ein Faserflor mit mindestens einem Tragband auf einer Rolle aufwickelbar ist. Ein derartiger Faserflor kann zusammen mit dem Tragband an der
Eingangsseite einer Produktionsanlage der
Fördereinrichtung zugeführt werden. Im weiteren Verlauf kann auf den abgewickelten Faserflor eine zusätzliche Faserlage abgelegt werden. Weiterhin können eine oder mehrere zusätzliche Florlagen oder Faserlagen
beigestapelt werden. Am Auslauf der Produktionsanlage bzw. der Fördereinrichtung kann die flächig gestapelte Anordnung gegebenenfalls zusammen mit dem Tragband erneut aufgewickelt werden. Der Flor und/oder die flächig gestapelte Anordnung können zur Erhöhung der
Aufrollfähigkeit bzw. Wickeleignung leicht verfestigt werden. Es ist weiterhin möglich, eine flächig gestapelte Anordnung zu bilden, indem auf ein abgewickeltes Vlies eine Faserlage und ggfs. eine weitere Vlieslage
aufgebracht werden, wobei ebenfalls eine leichte
Verfestigung erfolgen kann, insbesondere durch leichtes Vernadeln . Das vorerwähnte Verfahren kann gegebenenfalls mehrstufig nacheinander ausgeführt werden, so dass beispielsweise am Eingang der Produktionsanlage entweder ein einzelner Faserflor oder eine bereits vorab gebildete flächig gestapelte Anordnung zugeführt wird. Innerhalb der
Produktionsanlage können dann jeweils eine zusätzliche Faserlage und ggfs. eine weitere Florlage hinzugefügt werden und die entsprechend erweiterte flächig gestapelte Anordnung kann am Auslauf der Produktionsanlage wieder aufgewickelt werden. Die flächig gestapelte Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist bevorzugt frei von Naht- oder Heftmitteln gebildet, die die Homogenität des Florproduktes in der Fläche stören würden. Insbesondere sind die mindestens eine Florlage und die mindestens eine weitere Faserlage jeweils für sich sowie untereinander unvernäht und ungeheftet. Durch die Abwesenheit von zusätzlichen Naht¬ oder Heftmitteln wird erreicht, dass sich die
Festigkeitseigenschaften und die Drapierfähigkeit der flächig gestapelten Anordnung im Wesentlichen
ausschließlich aus den Festigkeiten der enthaltenen Flor- und Faserlagen, der Haftung zwischen den Lagen sowie der etwaigen Teilverfestigung der Anordnung ergeben. Somit sind in der Fläche des Florproduktes vollständig homogene Eigenschaften erzielbar. Insbesondere kann die bei vorbekannten Halbzeugen störende Bildung von
Vorzugsfalten vermieden werden, die dort häufig durch eine Quernaht oder ein zusätzliches Heftmittel bedingt ist . In der flächig gestapelten Anordnung (11) ist bevorzugt eine abwechselnde Stapelfolge von jeweils einer Florlage (12, 13) und einer zusätzlichen Faserlage (21, 22) vorgesehen .
Die vorliegende Offenbarung umfasst als eigenständigen Aspekt ein Herstellungsverfahren zur Erzeugung eines Florproduktes nach der obigen Beschreibung, Dieses umfasst die folgenden Schritte:
Bildung einer flächig gestapelten Anordnung (11) aus mindestens einer Florlage (12, 13, 14, 15) aus einem ungewebten Faserflor (16) und mindestens einer weiteren Faserlage (12, 22) durch Ablegen der bahnförmigen
Florlage (12, 14) auf einer Fördereinrichtung (30);
Zustapeln mindestens einer Fadenschar (23) zur Bildung einer weiteren Faserlage (21, 22) über und/oder unter der Florlage (12, 14), insbesondere auf derselben
Fördereinrichtung (30).
Das Herstellungsverfahren umfasst bevorzugt weiterhin die Schritte : Teilverfestigen der flächig gestapelten Anordnung (11) des Florprodukts (10) durch Erzeugung lokaler
Verbindungspunkte zwischen den Fasern der verschiedenen Lagen (12, 13, 14, 15, 21, 22), insbesondere durch
Thermobondieren und/oder Vernadeln und/oder
Wasserstrahlverfestigen.
Das Herstellungsverfahren kann alle Merkmale umfassen, die einzeln oder in Kombination zu den oben beschriebenen Produkten und Anlagen offenbart sind.
BEZUGS ZEICHENLISTE Technisches Florprodukt / Textile Stapelbahn Flächig gestapelte Anordnung
(Erste) Florlage längsgelegt
(Zweite) Florlage längsgelegt
(Dritte) Florlage quergelegt
(Vierte) Florlage quergelegt
ungewebter Faserflor (non-woven)
kardierte / geflockte Faser
Erste Tafel-Lage
Zweite Tafel-Lage
Dritte Tafel-Lage
Erste Faserlage
Zweite Faserlage
Fadenschar, bahnförmig
Garnfaden / Einzelfaden
Abgelegte Florbahn
vordere Lagenkante
hintere Lagenkante
Fördereinrichtung / Abzugsband
Fadenscharableger
Fadenscharableger
Florableger / Längsleger
Florableger / Erster Querleger
Florableger / Zweiter Querleger
Florbereitstellung / Florerzeuger / Karde Verfestigungseinrichtung / Nadelwerk
Flockenkammer
Tambur
Zuführband 50 Legewagen
51 Schlaufe / Bandspeicher
52 Umlenkwagen
60 Produktionsanläge
FA Faserausrichtung (in zugestapelter Faserlage
VR Vorzugsrichtung (in längsgelegter Florlage)
VR Λ Vorzugsrichtung (in quergelegter Florlage)
AR A zugsrichtung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Bahnformiges Halbzeug für die Fertigung von
faserverstärkten Verbundwerkstoffen umfassend eine teilverfestigte flächig gestapelte Anordnung (11) aus mindestens einer Florlage (12, 13, 14, 15) aus einem ungewebten Faserflor (16) und mindestens einer weiteren bahnförmigen Faserlage (21, 22), wobei mindestens eine Florlage (12, 13, 14, 15) und/oder mindestens eine zusätzliche Faserlage (21, 22) vorwiegend oder vollständig aus Karbonfasern,
Aramidfasern oder mineralischen Fasern wie
Glasfasern oder Basaltfasern gebildet ist, und wobei die in der Florlage (12, 13) enthaltenen Fasern (17) eine Vorzugsorientierung (VR) aufweisen dadurch gekennzeichnet , dass die flächig gestapelte Anordnung ausschließlich durch Schichtung gebildet ist, wobei die mindestens eine Florlage und die mindestens eine Faserlage frei von zusätzlichen Makro- Stützmitteln sind; und dass die weitere Faserlage (21, 22) der mindestens einen Florlage (12, 13, 14, 15) beigestapelt und durch eine bahnförmige Fadenschar (23, 24) aus nebeneinander angeordneten Einzelfäden gebildet ist; und dass die Fadenschar (23, 24) eine exklusive
Faserausrichtung hat (FA) , sowie dass das Florprodukt durch lokale Verbindungspunkte zwischen den Fasern der verschiedenen Lagen teilverfestigt ist.
Halbzeug nach Anspruch 1, wobei die exklusive
Faserausrichtung (FA) in der mindestens einen weiteren Faserlage (21, 22) im Wesentlichen parallel zu der Vorzugsorientierung (VR) mindestens einer Florlage (12, 13, 14, 15) ist.
Halbzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die exklusive Faserausrichtung (FA) in der mindestens einen weiteren Faserlage (21, 22) im Wesentlichen quer zu der Vorzugsorientierung (VRX) mindestens einer
Florlage (12, 13, 14, 15)ist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug (10) eine erste Florlage (12, 13) mit einer Ausbildung nach Anspruch 2 und eine weitere Florlage (14, 15) mit einer Ausbildung nach Anspruch 3 aufweist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fadenschar (23) Garnfäden (24) aus einem Stapelfasergarn oder Core-Garn umfasst, das
insbesondere recycelte Carbon-Fasern enthält.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fadenschar (23) Einzel-Filamente umfasst, insbesondere Fäden aus einem Filament-Garn . Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Florlage (12, 13, 14, 15) und/oder mindestens eine zusätzliche Faserlage (21, 22) zumindest teilweise aus einer Faser gebildet ist, die im zu erzeugenden Verbundwerkstoff als Matrix-bildender Bestandteil wirkt, insbesondere aus einem schmelzbaren Kunststoff.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Florlage (12, 13, 14, 15) in sich zwei oder mehrlagig aufgetäfelt ist, insbesondere mit einer geschuppten Anordnung der Tafel-Lagen.
9. ) Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei lokale Verbindungspunkte gebildet sind durch
- lokale Verwirrung einzelner Fasern der
verschiedenen Lagen (12, 13, 14, 15, 21, 22) des Florprodukts und/oder durch
Bondierungspunkte zwischen einzelnen Fasern der verschiedenen Lagen (12, 13, 14, 15, 21, 22) .
10. ) Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Faserlage (21) zwischen zwei Florlagen
(12, 13) aufgenommen ist.
Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Florlage (12) zwischen zwei Faserlagen (21, 22) aufgenommen ist. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gebildet aus zwei Florlagen (12, 13, 14, 15) und einer Faserlage (21), wobei die Vorzugsrichtungen (VR) beider
Florlagen (12, 13) parallel zu der
Faserausrichtung (FA) der Fadenschar (23) in der Faserlage (21) ist, ODER wobei die Vorzugsrichtungen (VRX) beider
Florlagen (14, 15) quer zu der Faserausrichtung (FA) der Fadenschar (23) in der Faserlage (21) ist , und wobei insbesondere die Faserlage (21) zwischen den beiden Florlagen (12, 13, 14, 15) aufgenommen ist. 13.) Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gebildet aus zwei Faserlagen (21, 22) und einer Florlage (12, 14) , wobei die Vorzugsrichtung (VR) der Florlage (12) parallel zu der gemeinsamen
Faserausrichtung (FA) der Fadenscharen (23) in den Faserlagen (21, 22) ist, ODER wobei die Vorzugsrichtung (VRX) der Florlage (14) quer zu der gemeinsamen Faserausrichtung (FA) der Fadenscharen (23) in den Faserlagen (21, 22) ist, und wobei insbesondere die Florlage (12, 14) zwischen den Faserlagen (21, 22) aufgenommen ist . Produktionsanlage zur Herstellung eines bahnformigen Halbzeugs nach Anspruch 1, umfassend zumindest eine
Fördereinrichtung (30) und einen (ersten)
Florableger (42, 43, 44) zum Ablegen eines
bahnformigen Faserflors (16) auf der
Fördereinrichtung (30) zur Bildung einer Florlage (12, 14) in einer flächig gestapelten Anordnung (11) des Halbzeugs (10) , dadurch gekennzeichnet , dass die Produktionsanlage (60) mindestens einen (ersten) Fadenscharableger (40, 41) aufweist, der dazu ausgebildet ist, der Florlage (12, 14) eine bahnförmige Fadenschar (23) aus
nebeneinander angeordneten Einzelfäden mit einer exklusiven Faserausrichtung (FA)
zuzustapeln, insbesondere durch Ablegen der Fadenschar auf derselben Fördereinrichtung (30 ) , und dass die Produktionsanlage eine
Verfestigungseinrichtung (46) aufweist, der die flächig gestapelte Anordnung zugeführt wird, und die dazu ausgebildet ist, lokale
Verbindungspunkte zwischen den Fasern der verschiedenen Lagen zu erzeugen, sodass das Halbzeug teilverfestigt wird.
15. ) Produktionsanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Fördereinrichtung (30) eine Abzugsrichtung (AR) aufweist und die Faserausrichtung (FA) der bahnförmigen Fadenschar (23) parallel zu der
Abzugsrichtung (AR) ist.
16. ) Produktionsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Fördereinrichtung (30) eine Abzugsrichtung (AR) aufweist und die Ablegerichtung des (ersten) Florablegers (43) parallel oder im Wesentlichen quer zu der Abzugsrichtung (AR) ist.
17. ) Produktionsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Produktionsanlage (60)
mindestens einen weiteren (zweiten) Florableger (43, 44) aufweist. 18.) Produktionsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Produktionsanlage (60)
mindestens einen weiteren (zweiten)
Fadenscharableger (41) aufweist.
19. ) Herstellungsverfahren zur Herstellung eines
Halbzeugs nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte : Bildung einer flächig gestapelten Anordnung (11) aus mindestens einer Florlage (12, 13, 14, 15) aus einem ungewebten Faserflor (16) und mindestens einer zugestapelten Faserlage (21, 22), wobei mindestens eine Florlage (12, 13, 14, 15) und/oder mindestens eine zusätzliche Faserlage (21, 22) vorwiegend oder vollständig aus Karbonfasern, Aramidfasern oder
mineralischen Fasern wie Glasfasern oder
Basaltfasern gebildet ist und die in der
Florlage (12, 13) enthaltenen Fasern (17) eine Vorzugsorientierung (VR) aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass die flächig gestapelte Anordnung ausschließlich durch Schichtung gebildet ist, wobei die mindestens eine Florlage und die mindestens eine Faserlage frei von zusätzlichen Makro- Stützmitteln sind; und dass die weitere Faserlage (21, 22) durch Ablage einer bahnförmige Fadenschar (23, 24) aus nebeneinander angeordneten Einzelfäden gebildet wird und eine exklusive Faserausrichtung (FA) aufweist; und dass die gestapelte Anordnung unter Erzeugung von lokalen Verbindungspunkten zwischen den Fasern der verschiedenen Lagen teilverfestigt wird.
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