WO2021037389A1 - Faserverstärktes geflochtenes strukturbauteil mit einer kunststoffmatrix sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Faserverstärktes geflochtenes strukturbauteil mit einer kunststoffmatrix sowie verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Franz-Jürgen KÜMPERS
Gregor Baumgart
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    • F16L11/085—Hoses, i.e. flexible pipes made of rubber or flexible plastics with reinforcements embedded in the wall comprising one or more braided layers

Definitions

  • the present invention relates to a fiber-reinforced structural component with a plastic matrix and a method for its production.
  • Fiber-reinforced plastics are increasingly being used as lightweight construction materials due to their high weight-specific strength and rigidity.
  • Such components consist of a plastic matrix in which reinforcing fibers are embedded.
  • thermoplastic material A large number of processes are known for the production of fiber-reinforced plastics. For example, non-woven fabrics, fabrics or braids pre-soaked with thermoplastic material are arranged over a large area in order to build up components.
  • Fiber-reinforced plastics are also being used increasingly as so-called structural components, particularly in motor vehicles.
  • DE 102013219 820 A1 proposes such a structural component for a roof cross-connection in the area between the A-pillars of a motor vehicle, which connects thermoplastic profiles made of fiber bundles arranged along load paths via rib-like struts with one another in a framework-like manner in order to absorb bending, tensile and torsional stresses.
  • the struts are formed by injecting thermoplastic and / or thermosetting material.
  • the thermoplastic profiles are prefabricated, for example, with the help of a continuous, complex pultrusion process.
  • the manufacture of these structural components is associated in particular with high manufacturing and material costs.
  • the problem to be solved by the invention is to propose a new structural component and a cost-effective method for its production, whereby the arrangement of rope reinforcements along the load paths in the finished product is to be reliably ensured.
  • the rope reinforcements are each integrated as bundled standing threads in a braid, the rope reinforcements being positioned at a distance from one another by the braid so that their position in the structural component corresponds to the load paths.
  • the braided threads space the rope reinforcements over their entire length and at the same time form a kind of lattice structure that ensures the absorption of deformation forces between the rope reinforcements.
  • An adaptation to the later directions of stress can be made by suitable choice of the angle of the braided threads. It is also possible to arrange further standing threads for stabilization between the rope reinforcements.
  • braid layers are arranged one above the other. Their arrangement is to be chosen so that the rope reinforcements of the individual layers on the load paths together each form a compact rope reinforcement. The arrangement is to be chosen so that the rope reinforcements of the individual layers lie on top of one another and / or next to one another so that they form a common rope cross-section.
  • the multilayered lattice structure of the mesh between the rope reinforcements also helps to stabilize the desired overall structure.
  • the fiber selection according to claim 3 ensures relatively low costs, since cost-intensive carbon threads are only used in the area of the load paths, while the lattice structure, which has to absorb significantly less forces in the intermediate area, allows the inexpensive use of glass fibers.
  • a braid is first produced in which rope reinforcements in the form of unidirectional sets of threads are incorporated as standing threads, these sets of threads being positioned by the braid to keep the rope reinforcements formed by them spaced apart, that the mesh is then impregnated with a resin and that finally the three-dimensional shape and the spatially exact arrangement of the rope reinforcements on the load paths of the structural component is achieved and stabilized by means of a shaping tool when the resin hardens.
  • the method according to the invention is limited to the method steps of braid production, impregnation with resin and shaping / curing.
  • the manufacture of the braid is a cost-effective, highly productive process and, according to the invention, ensures in one process stage the complete formation of the basic textile structure of the structural component for the subsequent consolidation in a plastic matrix.
  • the shaping and consolidation are advantageously carried out by wet pressing. This is also a cost-effective process that takes place in a short time frame.
  • the braid is produced as a braided tube on a core, after the removal of which two flat layers can be formed by folding.
  • the standing threads are positioned in the braided tube in such a way that, after the braided tube has been folded, the standing threads from both layers come to rest against one another in such a way that they each form rope reinforcements together.
  • the braided tube immediately results in 2 braided layers, each of which merges two bundles of standing threads to form a rope reinforcement.
  • the braided hose is cut open in its longitudinal direction in order to produce two separate, identical layers, stresses in the area of the folded edges are suppressed. It also makes it easier to remove and reuse the core.
  • several coaxial braided hoses can also be produced and placed in flat layers, which are arranged one on top of the other in such a way that the standing threads from all braided hoses or braided layers come to rest against one another in such a way that they jointly each form rope reinforcements.
  • This arrangement allows the cross-sections arranged in a common cable reinforcement to be expanded in such a way that the overall structure has a higher load-bearing capacity.
  • the structure according to the invention can also be designed for higher loads or to meet high rigidity requirements by being supplemented by various types of additional support or stabilization elements.
  • the braid is produced as a flat strand. Unlike the lengthways cut open braided hoses, no edge reinforcement is necessary. In addition, a core is not required.
  • the fiber selection according to claim 12 ensures relatively low costs, since significantly more expensive carbon threads are used only in the area of the load paths, while the lattice structure in the intermediate area, which has to absorb significantly lower forces, is made of inexpensive glass fibers.
  • carbon fibers instead of or in addition to carbon fibers, other high-quality and high-strength fibers such as aramid fibers would also be conceivable.
  • FIG. 1 is a perspective view of a structural component according to the invention
  • Figure 2 shows a detail x from Figure 1 in plan view
  • FIG. 1 In the simplified view of a structural component 1 according to the invention shown in FIG. 1, it could be, for example, a roof bow Trade cars.
  • a simplified representation was chosen primarily because the invention is not intended to be limited to a specific component.
  • the representation of the resin matrix penetrating the mesh and surrounding it has been omitted.
  • the structural component 1 has a kind of skeletal structure, the line-shaped load-bearing elements of the skeletal structure, which are referred to here as rope reinforcements 2 and run along load paths 2.1, are not spaced apart by a rib-like arrangement, but by a lattice-like braid structure and are fixed in their position are. It is very important for the invention that these rope reinforcements 2 are an integral part of a braid 3 and were integrated in the braiding process as unidirectional standing threads.
  • the braid threads 8 preferably run at an angle of +/- 45 °. However, depending on the later directions of stress, other storage angles are also conceivable, which can be influenced in particular by the feed speed of the braid 3 or the braided core 9 during the production of a braided hose.
  • a further modification of the braid structure to achieve the desired properties for adaptation to the specific use, i.e. the specific load on the structural component, consists in the choice of the weave of the weave, for example the weave of canvas or twill, only the plain weave being shown in FIG.
  • the load-bearing capacity of the structural component 1 is clearly predominantly based on the cable reinforcements 2 that are bound into a plastic matrix and cured.
  • the unidirectionally arranged fiber bundles of the rope reinforcements 2 consist of high load-bearing carbon fibers, while the braided structure can consist of glass fibers, the load-bearing capacity of which is sufficient for its purpose in the structural component and which, above all, are significantly more cost-effective.
  • Other inexpensive fibers such as recycled or natural fibers would also be conceivable for this purpose.
  • the choice of material depends in particular on the intended use and dimensions as well as the shape of the structural component.
  • FIG. 2 The integration of a rope reinforcement 2 into the braid 3 is shown in FIG. 2 as section x of FIG.
  • the unidirectionally arranged carbon threads 4 of the rope reinforcements 2 are tied off by the braiding threads 10 in such a way that they are securely fixed in their position.
  • This position is also spatially fixed in the later process of shaping and curing, so that it then corresponds to the spatial, possibly also curved, course of the load paths 2.1.
  • FIG. 5 shows part of a braiding device 6 with a support ring 6.1 for circumferential clapper 6.2 and braiding ring 6.3.
  • the braided threads 8 coming from the bobbins 6.2 are deflected on the braided ring 6.2 and produce a braided tube (not shown) on the braided core 9.
  • Eight feed devices 7 for the carbon threads 4 fed in bundles are arranged on the outside of the support ring 6.1.
  • One of the feed devices 7 is shown in more detail in FIG. As can be seen there, the carbon threads 4 are fed in a circular arrangement.
  • a drainage element 5 is additionally fed, here an absorbent fleece strip, which ensures that the carbon thread bundle 4 is designed to be more open with the aim of improving resin absorption, the absorbency of the fleece strip also being beneficial for improved resin absorption.
  • the carbon threads 4 rotate around the fleece strip or another drainage element at a low speed of rotation when being fed, as indicated by an arrow. This could give the bundle of carbon threads 4 10 to 20 twists per meter. This would not result in any disruptive compaction that would reduce the penetration of the resin.
  • bobbins on which the carbon threads are wound would have to be arranged, for example, on a turntable that rotates around its center point. It is also possible to supply several drainage elements, the arrangement of which is chosen so that they optimally support the resin infusion depending on the dimension of the rope reinforcement.
  • the rope reinforcements 2 form stable carbon fiber rods which, together with the bridging glass fiber braid, which is resin-bound together with the rope reinforcements 2, result in the desired skeletal structure.
  • the braided core 9 can have longitudinal grooves 9a, 9b which could be used for later cutting open the braided hoses if the further processing is not to take place in the form of the closed braided hoses.
  • the braid can also be produced as a flat strand on a radial braiding machine, in which no core is fed and the bobbins do not make a complete cycle, but change their direction of movement in a known manner at 2 reversal points.
  • the use of a braided core in connection with the production of braided tubes has the advantage that the braided core can already be adapted to the curvature of the later spatial shape.
  • the braiding angle is largely constant after draping and the thread tension is not subject to any major fluctuations.
  • the lengths of thread drawn off the bobbins already form the three-dimensional shape.
  • the braid 3 with the rope reinforcements 2 is only a semi-finished product and is then impregnated with resin. After the resin has penetrated, the three-dimensional shape and the spatially exact arrangement of the rope reinforcements 2 on the load paths 2.1 of the structural component is advantageously achieved by wet pressing by means of a shaping tool when the resin hardens. This process is particularly cost-effective and is therefore preferred to Resin Transfer Molding RTM, although this would also be possible within the scope of the invention.

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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Strukturbauteil und ein kostengünstiges Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, wobei zuverlässig die Anordnung von Seilverstärkungen entlang der Lastpfade (2.1) im Fertigerzeugnis sichergestellt werden soll. Die Seilverstärkungen (2) sind erfindungsgemäß jeweils als gebündelte Stehfäden in ein Geflecht (3) eingebunden, wobei die Seilverstärkungen (2) durch das Geflecht (3) so zueinander beabstandet positioniert sind, dass Ihre Lage im Strukturbauteil (1) den Lastpfaden (2.1) entspricht. Laut erfindungsgemäßem Herstellungsverfahren des faserverstärkten Bauteils wird zunächst ein Geflecht hergestellt, in das Stehfäden in Form von unidirektionalen Fadenscharen eingebunden werden, wobei die Fadenscharen durch das Geflecht zur Abstandhaltung der durch sie gebildeten Seilverstärkungen positioniert werden, wobei dann das Geflecht mit einem Harz durchtränkt wird und schließlich mittels eines formgebenden Werkzeugs die Raumform und die räumlich exakte Anordnung der Seilverstärkungen (2) auf den Lastpfaden (2.1) des Strukturbauteils (1) beim Aushärten des Harzes erzielt wird.

Description

Beschreibung
FASERVERSTÄRKTES GEFLOCHTENES STRUKTURBAUTEIL MIT EINER KUNSTSTOFFMATRIX SOWIE VERFAHREN ZU SEINER HERSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Strukturbauteil mit einer Kunststoffmatrix sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Faserverstärkte Kunststoffe werden aufgrund ihrer hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit zunehmend als Leichtbauwerkstoffe eingesetzt. Solche Bauteile bestehen aus einer Kunststoffmatrix, in die Verstärkungsfasern eingebettet sind.
Für die Erzeugung von faserverstärkten Kunststoffen sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt. Zum Beispiel werden mit thermoplastischem Material vorgetränkte Gelege, Gewebe oder Geflechte flächig angeordnet, um Bauteile aufzubauen.
Auch ist es bekannt, einzelne Stellen von faserverstärktem Kunststoff mit thermoplastischem Material mit und ohne Fasern zu umspritzen. Diese Verfahren dienen dazu, Stellen mit höherer Belastung, insbesondere Stellen der Krafteinleitung zu verstärken, um so die Stabilität des Bauteils zu erhöhen.
Sehr verbreitet ist die Herstellung der Faserverstärkungen aus Flachgeflechten, die zum Beispiel in einer meist ringförmigen Flechtanlage zunächst als Geflechtschlauch erzeugt werden, der auf einem Formkern abgelegt wird, der anschließend wieder entfernt wird. Zum Beispiel durch die DE 102014000302 B4 ist es bekannt, Stehfäden parallel zueinander beim Flechten zuzuführen. Um eine Litze beziehungsweise ein Flachgeflecht aus dem Geflechtschlauch zu erzeugen, wird dieser unter Nutzung von Längsnuten im Kern aufgeschnitten. Zur Stabilisierung des Geflechts an den Schnittkanten werden entweder Binder eingesetzt und/oder in diesem Bereich Stehfäden aus einem anderen Material eingesetzt.
Faserverstärkte Kunststoffe finden auch als so genannte Strukturbauteile zunehmende Verwendung insbesondere in Kraftfahrzeugen. Die DE 102013219 820 A1 schlägt ein solches Strukturbauteil für eine Dachquerverbindung im Bereich zwischen den A-Säulen eines Kraftfahrzeugs vor, welches entlang von Lastpfaden angeordnete Thermoplastprofile aus Faserbündeln über rippenartige Verstrebungen fachwerkartig miteinander verbindet, um Biege- Zug- und Torsionsspannungen aufzunehmen. Die Verstrebungen werden durch Anspritzen von thermoplastischem und/oder duroplastischem Material gebildet. Die Thermoplast-Profile werden zum Beispiel mit Hilfe eines kontinuierlichen aufwändigen Pultrusionsprozesses vorgefertigt. Die Herstellung dieser Strukturbauteile ist insbesondere mit hohen Fertigungs- und auch Materialkosten verbunden.
Alternativ zum Verbinden der Faserbündel durch rippenartige Verstrebungen ist es durch die DE 102011 003747 A1 bekannt, Seilverstärkungen entlang von Lastpfaden dadurch zu positionieren, dass eine flächige Kunststoffmatrix mit den vorgefertigten Seilverstärkungen, die vorzugweise zuvor auf einem Kern angeordnet werden, zum Beispiel durch Aufnähen, Auftackern und/oder Aufkleben verbunden wird. Seilverstärkungen und Kunststoffmatrix müssen in gesonderten Arbeitsgängen erzeugt werden. Die Seilverstärkungen können aus unidirektionalen Faseranordnungen erzeugt werden, die bevorzugt durch Umflechten ihre eigenständige Seilstruktur erhalten. Die nachträgliche Befestigung dieser Seilverstärkungen ist ein weiterer Arbeitsgang und stellt nicht sicher, dass die Anordnung der Seilverstärkungen im Enderzeugnis noch lastpfadgerecht ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe, ein neues Strukturbauteil und ein kostengünstiges Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, wobei zuverlässig die Anordnung von Seilverstärkungen entlang der Lastpfade im Fertigerzeugnis sichergestellt werden soll.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein faserverstärktes Strukturbauteil mit einer Kunststoffmatrix, das entlang von Lastpfaden Seilverstärkungen aus unidirektional angeordneten Fäden besitzt, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Die Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sowie 5 bis 13 weitergebildet.
Nach Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Seilverstärkungen jeweils als gebündelte Stehfäden in ein Geflecht eingebunden sind, wobei die Seilverstärkungen durch das Geflecht so zueinander beabstandet positioniert sind, dass Ihre Lage im Strukturbauteil den Lastpfaden entspricht.
Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß der Vorteil, dass die strukturbestimmende Positionierung der Seilverstärkungen als Teil des Herstellungsprozesses der in die Kunststoffmatrix eingebetteten Faserverstärkung sehr zuverlässig ist. Dabei beabstanden die Geflechtfäden die Seilverstärkungen über ihre gesamte Länge und bilden gleichzeitig eine Art Gitterstruktur, die die Aufnahme von Verformungskräften zwischen den Seilverstärkungen sicherstellt. Durch geeignete Wahl des Verlaufswinkels der Geflechtfäden kann eine Anpassung an die späteren Beanspruchungsrichtungen vorgenommen werden. Dabei ist es auch möglich, zwischen den Seilverstärkungen weitere Stehfäden zur Stabilisierung anzuordnen. Die Gitterstruktur des Geflechts bildet gemeinsam mit den Seilverstärkungen eine Art Skelett- oder Fachwerkstruktur.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass mehrere Geflechtlagen übereinander angeordnet sind. Dabei ist deren Anordnung so zu wählen, dass die Seilverstärkungen der einzelnen Lagen auf den Lastpfaden gemeinsam jeweils eine kompakte Seilverstärkung bilden. Die Anordnung ist so zu wählen, dass die Seilverstärkungen der einzelnen Lagen übereinander und/oder nebeneinander liegen, so dass sie einen gemeinsamen Seilquerschnitt bilden. Auch die mehrschichtige Gitterstruktur des zwischen den Seilverstärkungen liegenden Geflechts trägt zur Stabilisierung der gewünschten Gesamtstruktur bei.
Die Faserauswahl gemäß Anspruch 3 gewährleistet relativ niedrige Kosten, da nur im Bereich der Lastpfade kostenintensive Karbonfäden benutzt werden, während die Gitterstruktur, die im Zwischenbereich wesentlich geringere Kräfte aufnehmen muss, die kostengünstige Verwendung von Glasfasern gestattet.
Nach dem im Anspruch 4 beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils wird zunächst ein Geflecht hergestellt, in das Seilverstärkungen in Form von unidirektionalen Fadenscharen als Stehfäden eingebunden werden, wobei diese Fadenscharen durch das Geflecht zur Abstandhaltung der durch sie gebildeten Seilverstärkungen positioniert werden, dass dann das Geflecht mit einem Harz durchtränkt wird und dass schließlich mittels eines formgebenden Werkzeugs die Raumform und die räumlich exakte Anordnung der Seilverstärkungen auf den Lastpfaden des Strukturbauteils beim Aushärten des Harzes erzielt und stabilisiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich auf die Verfahrensschritte Geflechtherstellung, Durchtränkung mit Harz und Formgebung/Aushärten. Die Geflechtherstellung ist ein kostengünstiger hochproduktiver Prozess und gewährleistet erfindungsgemäß in einer Prozessstufe die vollständige Bildung der textilen Grundstruktur des Strukturbauteils für die darauffolgende Konsolidierung in einer Kunststoffmatrix.
Vorteilhaft erfolgt die Formgebung und Konsolidierung durch Nasspressen. Auch dies ist ein kostengünstiger und in einem kurzen Zeitfenster ablaufender Prozess.
In Weiterbildung der Erfindung wird das Geflecht als Geflechtschlauch auf einem Kern erzeugt, nach dessen Entfernen durch Falten zwei flache Lagen ausgebildet werden können. Die Stehfäden werden beim Flechten so in dem Geflechtschlauch positioniert, dass nach dem Falten des Geflechtschlauchs die Stehfäden aus beiden Lagen derart aneinander zum Liegen kommen, dass sie gemeinsam jeweils Seilverstärkungen ausbilden.
Auf diese Weise ergeben sich aus dem Geflechtschlauch sofort 2 Geflechtlagen, die jeweils zwei Stehfadenbündel zu einer Seilverstärkung zusammenführen.
Wird gemäß einer weiteren Modifikation der Geflechtschlauch zur Erzeugung von zwei getrennten gleichen Lagen in seiner Längsrichtung aufgeschnitten, werden Spannungen im Bereich der gefalteten Kanten unterdrückt. Außerdem kann auf diese Weise der Kern leichter entfernt und wiederverwendet werden. Gemäß der Erfindung können auch mehrere koaxiale Geflechtschläuche erzeugt und in flache Lagen gelegt werden, die so übereinander angeordnet werden, dass die Stehfäden aus allen Geflechtschläuchen beziehungsweise Geflechtlagen derart aneinander zum Liegen kommen, dass sie gemeinsam jeweils Seilverstärkungen ausbilden.
Durch diese Anordnung lassen sich die in einer gemeinsamen Seilverstärkung angeordneten Querschnitte so expandieren, dass sich eine höhere Tragfähigkeit der Gesamtstruktur ergibt.
Die erfindungsgemäße Struktur kann auch für höhere Beanspruchungen beziehungsweise zur Erfüllung hoher Steifigkeitsanforderungen ausgebildet werden, indem sie durch verschiedenartige zusätzliche Stütz- oder Stabilisierungselemente ergänzt wird.
Die Erzeugung von mehreren Geflechtschläuchen ist dann nicht mit einem zusätzlichen Verfahrensschritt verbunden, wenn sie im gleichen Prozess durch nacheinander angeordnete Flechteinrichtungen kontinuierlich auf dem gleichen Kern erzeugt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Kern mit einer gekrümmten Form verwendet wird, dessen Krümmung der Form des Strukturbauteils angepasst ist. Dabei werden bereits während des Flechtvorgangs die Fäden so von den Flechtspulen abgezogen, dass sie beim späteren Drapieren der Raumform nahezu keinen Spannungsunterschieden unterliegen. Das Ergebnis ist eine verzugsarme
Gesamtstruktur. Alternativ wird das Geflecht als flache Litze erzeugt. Dafür ist abweichend von den längs aufgeschnittenen Geflechtschläuchen keine Kantenverfestigung notwendig. Überdies ist ein Kern nicht erforderlich.
Die Faserauswahl gemäß Anspruch 12 gewährleistet relativ niedrige Kosten, da nur im Bereich der Lastpfade deutlich teurere Karbonfäden benutzt werden, während die Gitterstruktur im Zwischenbereich, die wesentlich geringeren Kräfte aufnehmen muss, aus kostengünstigen Glasfasern hergestellt wird. Anstelle oder ergänzend Karbonfasern wären auch andere hochwertige und hochfeste Fasern wie zum Beispiel Aramidfasern denkbar.
Wie gemäß Anspruch 13 vorgesehen ist, wird Zuführeinrichtungen für die Stehfäden an der Flechtmaschine gemeinsam mit den unidirektionalen Fadenscharen ein infusionsförderndes Material den Fadenscharen zugeführt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils,
- Figur 2 einen Ausschnitt x aus Figur 1 in Draufsicht,
- Figur 3 einen Schnitt durch das Strukturbauteil,
- Figur 4 einen Ausschnitt y aus Figur 3,
- Figur 5 Teilansicht einer Radialflechtmaschine und
- Figur 6 Zuführeinrichtung für Karbonfäden.
Bei der in Figur 1 gezeigten vereinfachten Ansicht eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 1 könnte es sich beispielsweise um einen Dachspriegel eines PKW handeln. Eine vereinfachte Darstellung wurde vor allem gewählt, da sich die Erfindung nicht auf ein spezielles Bauteil beschränken soll. Im Übrigen wurde aus Übersichtsgründen auf die Darstellung der das Geflecht durchdringenden und diese umgebenden Harzmatrix verzichtet.
In jedem Fall besitzt das Strukturbauteil 1 eine Art Skelettstruktur, wobei die linienförmigen tragenden Elemente der Skelettstruktur, die hier als Seilverstärkungen 2 bezeichnet wurden und entlang von Lastpfaden 2.1 verlaufen, nicht durch eine rippenartige Anordnung, sondern durch eine gitterartige Geflechtstruktur beabstandet und in ihrer Position festgelegt sind. Ganz wesentlich für die Erfindung ist es, dass diese Seilverstärkungen 2 integraler Bestandteil eines Geflechts 3 sind und im Flechtprozess als unidirektional angeordnete Stehfäden eingebunden wurden. Die Geflechtfäden 8 verlaufen bevorzugt im Winkel von +/- 45°. Jedoch sind in Abhängigkeit von den späteren Beanspruchungsrichtungen auch andere Ablagewinkel denkbar, die insbesondere durch die Vorschubgeschwindigkeit des Geflechts 3 beziehungsweise des Flechtkerns 9 bei der Herstellung eines Geflechtschlauchs beeinflusst werden können.
Eine weitere Modifikation der Geflechtstruktur zur Erzielung gewünschter Eigenschaften zur Anpassung an die konkrete Verwendung, das heißt, spezifische Belastung des Strukturbauteils besteht in der Wahl der Bindung des Geflechts, zum Beispiel der Bindung Leinwand oder Köper, wobei in Figur 2 nur die Leinwandbindung dargestellt ist.
Außerdem ist es möglich, in das Geflecht 3 außerhalb der Seilverstärkungen 2 weitere meist einzelne Stehfäden, die hier nicht gesondert dargestellt sind, einzubinden, wenn dies gemäß der späteren Verwendung sinnvoll erscheint. Dies ändert jedoch nichts daran, dass die Tragfähigkeit des Strukturbauteils 1 sich deutlich überwiegend auf die in eine Kunststoffmatrix eingebundenen und ausgehärteten Seilverstärkungen 2 stützt. Um dies zu gewährleisten, bestehen die unidirektional angeordneten Faserbündel der Seilverstärkungen 2 aus hochtragfähigen Karbonfasern, während die Geflechtstruktur aus Glasfasern bestehen kann, deren Tragfähigkeit für ihren Zweck im Strukturbauteil ausreichend und die vor allem deutlich kostengünstiger sind. Denkbar hierfür wären auch andere kostengünstige Fasern wie Recycling- oder Naturfasern. Die Materialauswahl erfolgt insbesondere abhängig vom Verwendungszweck und Dimension sowie Form des Strukturbauteils.
Die Einbindung einer Seilverstärkung 2 in das Geflecht 3 ist in Figur 2 als Ausschnitt x der Figur 1 dargestellt. Wie daraus zu erkennen ist, sind die unidirektional angeordneten Karbonfäden 4 der Seilverstärkungen 2 durch die Flechtfäden 10 so abgebunden, dass sie in ihrer Position sicher festgelegt werden. Diese Position wird im späteren Prozess der Formgebung und Aushärtung auch räumlich fixiert, so dass sie dann dem räumlichen, gegebenenfalls auch gekrümmten Verlauf der Lastpfade 2.1 entspricht.
Zur Sicherung der Tragfähigkeit der Gesamtstruktur, vor allem der Zusammenführung von zum Beispiel 40.000 bis 60.000 Karbonfilamenten jeweils zu einer Seilverstärkung 2 und auch der Unterdrückung von Ondulationen der unidirektional angeordneten Karbonfäden 4, ist es sinnvoll, mehrere Geflechtlagen übereinander anzuordnen, wobei mehrere Geflechtlagen im gleichen Prozess erzeugt werden können. Zum einen entstehen nach der Herstellung eines Geflechtschlauchs bereits 2 Lagen, wenn nach dem Entfernen des Flechtkerns der Schlauch zusammengelegt wird. Des Weiteren können 2 koaxiale Geflechtschläuche auf zwei aufeinanderfolgend angeordneten Flechteinrichtungen 6 einer Radialflechteinrichtung auf demselben Flechtkern 9 erzeugt werden. Die dann nach dem Entfernen des Flechtkerns übereinanderliegenden vier Geflechtlagen sind in Figur 3 dargestellt. Figur 4 zeigt in dem Ausschnitt y aus Figur 3, dass die vier Lagen mit unidirektional angeordneten Faserbündeln aus Karbonfasern 4 so übereinander angeordnet werden können, dass sich eine gemeinsame Seilverstärkung 2 ausbildet. Dies setzt natürlich voraus, dass Zuführeinrichtungen 7 der Fadenbündel aus Karbonfasern 4 auf dem Umfang der Radialflechteinrichtung 6 entsprechend angeordnet sein müssen. So müssen sie jeweils gleiche Winkelabstände zu einer Längsfalt- oder Längsschnittlinie aufweisen.
In Figur 5 ist ein Teil einer Flechteinrichtung 6 mit Tragring 6.1 für umlaufende Klöppel 6.2 und Flechtring 6.3 dargestellt. Die von den Klöppeln 6.2 kommenden Flechtfäden 8, werden auf dem Flechtring 6.2 umgelenkt und erzeugen auf dem Flechtkern 9 einen nicht dargestellten Geflechtschlauch. Auf der Außenseite des Tragrings 6.1 sind acht Zuführeinrichtungen 7 für die bündelweise zugeführten Karbonfäden 4 angeordnet. Eine der Zuführeinrichtungen 7 ist in Figur 6 detaillierter dargestellt. Wie dort zu sehen ist, werden die Karbonfäden 4 in einer kreisförmigen Anordnung zugeführt. In deren Mitte erfolgt in diesem Beispiel die zusätzliche Zuführung eine Drainageelements 5, hier eines saugfähigen Vliesstreifens, der dafür sorgt, dass das Karbonfadenbündel 4 mit dem Ziel der verbesserten Harzaufnahme offener gestaltet ist, wobei auch die Saugfähigkeit des Vliesstreifens der verbesserten Harzaufnahme zuträglich ist. Es ist auch möglich, die Karbonfäden 4 bei der Zuführung um den Vliesstreifen oder ein anderes Drainageelement mit geringer Rotationsgeschwindigkeit rotieren zu lassen, wie durch einen Pfeil angedeutet ist. Dadurch könnte das Bündel der Karbonfäden 4 10 bis 20 Drehungen pro Meter erhalten. Daraus würde sich keine störende Kompaktierung ergeben, die das Eindringen des Harzes reduzieren würde. Für die Drehungserteilung müssten Spulen, auf die die Karbonfäden aufgespult sind, zum Beispiel auf einem Drehteller angeordnet werden, der um seinen Mittelpunkt rotiert. Es können auch mehrere Drainageelemente zugeführt werden, deren Anordnung so gewählt wird, dass sie die Harzinfusion in Abhängigkeit von der Dimension der Seilverstärkung optimal unterstützen.
Die Seilverstärkungen 2 bilden nach dem Aushärten des Harzes stabile Karbonfaserstäbe aus, die mit dem überbrückenden, gemeinsam mit den Seilverstärkungen 2 harzgebundenen Glasfasergeflecht die gewünschte Skelettstruktur ergeben.
Der Flechtkern 9 kann Längsnuten 9a, 9b aufweisen, die für ein späteres Aufschneiden der Geflechtschläuche genutzt werden könnten, wenn die weitere Verarbeitung nicht in Form der geschlossenen Geflechtschläuche erfolgen soll.
Alternativ zur Herstellung eines Geflechtschlauches kann das Geflecht als flache Litze auch auf einer Radialflechtmaschine erzeugt werden, indem kein Kern zugeführt wird und die Klöppelspulen keinen vollständigen Umlauf durchführen, sondern in bekannter Weise jeweils an 2 Umkehrpunkten Ihre Bewegungsrichtung ändern. Dadurch erhält man verfestigte Ränder und benötigt keinen Flechtkern. Allerdings besteht dann die Möglichkeit der räumlichen Vorformung als Halbzeug mittels des Flechtkerns nicht. So hat die Verwendung eines Flechtkerns in Verbindung mit der Erzeugung von Geflechtschläuchen den Vorteil, dass der Flechtkern bereits der Krümmung der späteren Raumform angepasst sein kann. Dadurch und durch Beeinflussung des Flechtwinkels im Flechtprozess wird erreicht, dass der Flechtwinkel nach dem Drapieren weitgehend gleichbleibend ist und die Fadenspannung keinen größeren Schwankungen unterworfen ist. Bei der Herstellung des Geflechtschlauches mit dem gekrümmten Flechtkern bilden die von den Klöppelspulen abgezogenen Fadenlängen bereits die Raumform ab.
Das Geflecht 3 mit den Seilverstärkungen 2 ist lediglich ein Halbzeug und wird anschließend mit Harz getränkt. Nach dem Eindringen des Harzes wird vorteilhaft durch Nasspressen mittels eines formgebenden Werkzeugs die Raumform und die räumlich exakte Anordnung der Seilverstärkungen 2 auf den Lastpfaden 2.1 des Strukturbauteils beim Aushärten des Harzes erzielt. Dieses Verfahren ist besonders kostengünstig und wird deshalb dem Resin Transfer Moulding RTM vorgezogen, obwohl dieses im Rahmen der Erfindung auch möglich wäre.

Claims

Patentansprüche
1. Faserverstärktes Strukturbauteil (1) mit einer Kunststoffmatrix, das entlang von Lastpfaden (2.1) Seilverstärkungen (2) aus unidirektional angeordneten Fäden (4) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Seilverstärkungen (2) jeweils als gebündelte Stehfäden in ein Geflecht (3) eingebunden sind, wobei die Seilverstärkungen (2) durch das Geflecht (3) so zueinander beabstandet positioniert sind, dass Ihre Lage im Strukturbauteil (1) den Lastpfaden (2.1) entspricht.
2. Faserverstärktes Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Geflechtlagen besitzt, die so übereinander angeordnet sind, dass die Seilverstärkungen (2) der einzelnen Lagen auf den Lastpfaden (2.1) gemeinsam jeweils eine kompakte Seilverstärkung (2) bilden.
3. Faserverstärktes Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flechtfäden (8) aus Glasfäden und die unidirektional angeordneten Fäden (4) der Seilverstärkungen (2) aus Karbonfäden gebildet sind.
4. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Strukturbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Geflecht (3) hergestellt wird, in das zueinander beabstandet Seilverstärkungen (2) aus unidirektionalen Fadenscharen als Stehfäden eingebunden werden, wobei das Geflecht (3) die Seilverstärkungen (2) so positioniert, dass ihre Lage im Strukturbauteil (1) den Lastpfaden (2.1) entspricht, dann das Geflecht mit einem Harz durchtränkt wird und dass schließlich mittels eines formgebenden Werkzeugs die Raumform und die räumlich exakte Anordnung der Seilverstärkungen (2) auf den Lastpfaden (2.1) des Strukturbauteils (1) beim Aushärten des Harzes erzielt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung durch Nasspressen erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Geflecht als Geflechtschlauch auf einem Kern (9) erzeugt wird, der nach dem Verlassen des Kerns (9) zwei flache Lagen ausbildet, und dass die Stehfäden der Seilverstärkungen (2) so in das Geflecht (3) eingebunden werden, dass die Stehfäden aus beiden Lagen derart aneinander zum Liegen kommen, dass sie jeweils gemeinsame Seilverstärkungen (2) ausbilden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Geflechtschlauch zur Erzeugung von zwei getrennten gleichen Lagen in seiner Längsrichtung aufgeschnitten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere koaxiale Geflechtschläuche erzeugt und in flache Lagen gelegt werden, die so übereinander angeordnet werden, dass die Stehfäden aus allen Geflechtschläuchen derart aneinander zum Liegen kommen, dass sie jeweils eine gemeinsame Seilverstärkung (2) ausbilden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Geflechtschläuche im gleichen Prozess durch nacheinander angeordnete Flechteinrichtungen (6) auf dem gleichen Kern erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kern (9) mit einer gekrümmten Form verwendet wird, deren Krümmung der Form des Strukturbauteils (1) angepasst ist.
11.Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Geflecht als flache Litze erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flechtfäden (8) aus Glasfäden und die unidirektional angeordneten Fäden (4) der Seilverstärkungen (2) aus Karbon gebildet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Zuführeinrichtungen (7) für die als Stehfäden eingebundenen unidirektionalen Fadenscharen der Fäden (4) ein Drainageelement (5) aus infusionsförderndem Material den Fadenscharen zugeführt wird.
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