DE102019123127A1

DE102019123127A1 - Halbzeug, Faserverbundbauteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102019123127A1
Application number: DE102019123127.2A
Authority: DE
Inventors: Janko Kreikemeier
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gewebehalbzeug (10), welches wenigstens zwei voneinander verschiedene Fadensysteme hat und aus einer Vielzahl von Kettfäden (11) als erstes Fadensystem mit einer vorgegebenen Kettfädenausrichtung und einer Vielzahl von Schussfäden (12, 13) als wenigstens zweites Fadensystem mit mindestens einer von der Kettfädenausrichtung verschiedenen Schussfädenausrichtung gebildet ist, wobei zumindest ein Teil der Kettfäden (11) längliche Faserprofile sind, die jeweils aus einem länglichen Fasermaterial und ein das Fasermaterial imprägnierenden und vollständig konsolidierten Matrixmaterial gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gewebehalbzeug, welches aus einer Vielzahl von Kettfäden und einer Vielzahl von Schussfäden besteht. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Faserverbundbauteil, welches aus einem Faserverbundwerkstoff mit dem erfindungsgemäßen Gewebehalbzeug hergestellt ist. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundbauteilen, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind derartige Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen weiteren Anwendungsgebieten, wie beispielsweise dem Automobilbereich, heutzutage kaum mehr wegzudenken. Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgehärtet und bildet so nach dem Aushärten eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial. Die Verstärkungsfasern des Fasermaterials werden hierdurch in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können die auftretenden Lasten in die vorgegebene Richtung abtragen.
Faserverbundwerkstoffe, aus denen derartige Faserverbundbauteile hergestellt werden, weisen in der Regel zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial. Hierneben können noch weitere sekundäre Bestandteile verwendet werden, wie beispielsweise Bindermaterialien oder zusätzliche Funktionselemente, die in das Bauteil integriert werden sollen. Werden für die Herstellung trockene Fasermaterialien bereitgestellt, so wird während des Herstellungsprozesses das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes in das Fasermaterial durch einen Infusionsprozess infundiert, durch den das trockene Fasermaterial mit dem Matrixmaterial imprägniert wird. Dies geschieht in der Regel aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial, indem beispielsweise das Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Im Gegensatz hierzu sind auch Faserverbundwerkstoffe bekannt, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial bereits vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).
Als Fasermaterialien derartiger Faserverbundwerkstoffe kommen verschiedenste Materialarten in Betracht. So werden in automatisierten Ablegeprozessen häufig quasiendlose, bandförmige Fasermaterialien verwendet, wie beispielsweise Rovings, Towes oder Tapes. Aber auch gewebte Strukturen, ein sogenanntes Fasergewebe, werden als Fasermaterialien von Faserverbundwerkstoffen zur Herstellung von Faserverbundbauteilen in der Praxis verwendet. Unter einem Gewebe wird ein textiles Flächengebilde verstanden, das aus wenigstens zwei, meist voneinander verschiedenen Fadensystemen gebildet wird. Das erste Fadensystem wird dabei in der Regel als Kettfäden bezeichnet, während das zweite Fadensystem als Schussfäden gekennzeichnet wird. Die Kettfäden und die Schussfäden werden dabei in einem Webprozess unter Anwendung verschiedener Webmuster miteinander verflochten, sodass sich die Kettfäden und die Schussfäden je nach Ausrichtung kreuzen.
Ein wesentlicher Nachteil derartiger Gewebehalbzeuge ist die oftmals komplizierte Handhabung der biegeschlaffen Flächengebilde beim Drapierprozess. Hierbei wird das Gewebehalbzeug meist händisch aufgenommen und in ein Werkzeug eingelegt, wobei sichergestellt werden muss, dass das Gewebehalbzeug vollständig auf der formgebenden Werkzeugoberfläche aufliegt. Nur so kann die spätere Bauteilgeometrie sichergestellt werden.
Ein weiterer Nachteil besteht in der Tatsache, dass durch Drapierfehler aufgrund der schwierigen Handhabung der biegeschlaffen Gewebehalbzeuge die Gefahr von Delaminationen besteht, was eine der schwerwiegendsten Versagensformen von faserverstärkten Kunststoffkonstruktionen darstellt. Bei Delaminationen kommt es zu Ablöseprozessen zwischen zwei Halbzeuglagen, sodass hier keine optimale Haftung mehr besteht. Im Infusionsprozess können hier Harzansammlungen entstehen, welche ebenfalls die Festigkeit und Steifigkeit des gesamten Bauteils negativ beeinflussen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gewebehalbzeug, Faserverbundbauteil sowie ein verbessertes Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, mit denen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Gewebehalbzeug gemäß Anspruch 1, dem Faserverbundbauteil gemäß Anspruch 8, dem Verfahren zur Herstellung eines Gewebehalbzeuges gemäß Anspruch 9 sowie dem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß Anspruch 15 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Gewebehalbzeug vorgeschlagen, welches wenigstens zwei voneinander verschiedene Fadensysteme hat und aus einer Vielzahl von Kettfäden als erstes Fadensystem und einer Vielzahl von Schussfäden als wenigstens zweites Fadensystem gebildet ist. Kettfäden weisen dabei eine Kettfädenausrichtung auf, die von der Ausrichtung der Schussfäden (Schussfädenausrichtung) verschieden ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden dabei die Kettfäden und ihre Kettfädenausrichtung als Referenzausrichtung betrachtet, sodass die Kettfädenausrichtung einen Winkel von 0° hat. Die Schussfädenausrichtung der Schussfäden weist dabei einen Winkel auf, der von der Referenzausrichtung der Kettfäden verschieden ist, d. h. von 0° verschieden. Wie später noch gezeigt, können in Bezug auf die Kettfädenausrichtung die Schussfäden eine Ausrichtung von 90° oder +/- 45° haben. Die Kettfäden und Schussfäden sind dabei in Art eines Gewebes bzw. textilen Flächengebildes miteinander verwebt bzw. verwoben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Kettfäden längliche Faserprofile sind, die jeweils aus einem länglichen Fasermaterial und ein das Fasermaterial imprägnierenden und vollständig konsolidierten Matrixmaterial gebildet sind. Die Kettfäden sind demnach weitestgehend biegesteif.
Aufgrund der Tatsache, dass die Kettfäden des erfindungsgemäßen Gewebehalbzeuges vollständig ausgehärtete Faserkunststoffverbundfäden bzw. Faserkunststoffprofile sind, ergibt sich in Kettfädenausrichtung eine optimale Biegeversteifung und Torsionsversteifung des textilen Flächengebildes, sodass die Handhabung derartiger Gewebehalbzeuge bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen deutlich vereinfacht wird. Es hat sich des Weiteren gezeigt, dass durch die Verwendung von ausgehärteten Faserkunststoffverbundfäden als Kettfäden die Gefahr von Delaminationen innerhalb mehrlagiger Faserlaminate deutlich verringert werden kann.
Es hat sich des Weiteren überraschend gezeigt, dass derartige längliche Faserprofile, die ein vollständig konsolidiertes Matrixmaterial enthalten, als Kettfäden innerhalb eines Webprozesses verwendet werden können, ohne dass sich dies negativ auf die Webqualität des Gewebehalbzeuges auswirkt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Schussfäden aus einem länglichen Fasermaterial ohne imprägnierendes und vollständig konsolidiertes Matrixmaterial gebildet sind. Die Schussfäden sind demnach biegeschlaff.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Schussfäden aus Glasfaserrovings oder Kohlenstofffaserrovings als längliches Fasermaterial gebildet sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass alle Schussfäden des Gewebehalbzeuges eine gemeinsame Schussfädenausrichtung von im Wesentlichen 90° in Bezug auf die Referenzausrichtung aufweisen, was einer herkömmlichen biaxialen Webart bzw. einem herkömmlichen biaxialen Webmuster entspricht.
Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass die Schussfäden in eine erste Gruppe von Schussfäden und in eine zweite Gruppe von Schussfäden unterteilt sind, wobei die erste Gruppe von Schussfäden eine erste Schussfädenausrichtung hat, während die zweite Gruppe von Schussfäden eine von der ersten Schussfädenausrichtung verschiedene zweite Schussfädenausrichtung hat. Sowohl die erste Schussfädenausrichtung als auf die zweite Schussfädenausrichtung sind dabei von der Kettfädenausrichtung verschiedenen. Hierdurch kann ein Gewebehalbzeug bereitgestellt werden, dass eine triaxiale Webart bzw. ein triaxiales Webmuster hat.
Bevorzugt weist die erste Schussfädenausrichtung der ersten Gruppe von Schussfäden einen Winkel von im Wesentlichen +45° in Bezug zu der Referenzausrichtung, während die zweite Schussfädenausrichtung der zweiten Gruppe von Schussfäden einen Winkel von im Wesentlichen -45° in Bezug zu der Referenzausrichtung hat. Die erste Schussfädenausrichtung und die zweite Schussfädenausrichtung bilden dabei einen Winkel von 90° untereinander.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Kettfäden längliche Faserrundprofile sind. Derartige Faserrundprofile werden beispielsweise in einem Pultrusionsprozess hergestellt, bei dem trockenes längliches Fasermaterial, beispielsweise Rovings, durch ein Matrixmaterial imprägniert und anschließend durch eine Düse geführt wird. Anschließend wird das Matrixmaterial ausgehärtet bzw. konsolidiert, sodass sich ein im Wesentlichen biegesteifes Faserrundprofile ergibt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kettfäden aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gebildet sind.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Faserverbundbauteil gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst, wobei das Faserverbundbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, der ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hat. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Faserverbundbauteil zumindest teilweise aus einem Gewebehalbzeug wie vorstehend beschrieben als Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildet.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Gewebehalbzeuges gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst, bei dem Kettfäden als erstes Fadensystem und Schussfäden als zweites Fadensystem miteinander verwebt bzw. verwoben werden. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass längliche Faserprofile als Kettfäden verwendet werden, die jeweils aus einem länglichen Fasermaterial und ein das Fasermaterial imprägnierenden und vollständig konsolidierten Matrixmaterial gebildet sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß Anspruch 15 erfindungsgemäß gelöst, wobei das Faserverbundbauteil aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hergestellt wird. Erfindungsgemäß ist auch hier vorgesehen, dass ein Gewebehalbzeug wie vorstehend beschrieben bzw. wie vorstehend beschrieben hergestellt, verwendet wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:

1 Darstellung eines triaxialen Gewebehalbzeuges.

1 zeigt ein triaxiales Gewebehalbzeug 10, das ein erstes Fadensystem in Form von Kettfäden 11 und ein zweites Fadensystem in Form von Schussfäden 12 und 13 hat. Die Kettfäden 11 und die Schussfäden 12 und 13 sind dabei miteinander verwebt bzw. verwoben.
Die Kettfäden 11 sind dabei längliche Faserrundprofile, die jeweils aus einem länglichen Fasermaterial und ein das Fasermaterial imprägnierenden und vollständig konsolidierten Matrixmaterial gebildet sind. Hierdurch ergibt sich eine Biegesteifigkeit in Kettfädenrichtung sowie eine entsprechende Torsionssteifigkeit.
Die Ausrichtung der Kettfäden bildet hierbei eine Referenzrichtung, in deren Bezug die Schussfäden hinsichtlich ihrer Richtung definiert sind. Die Kettfädenausrichtung beträgt im Ausführungsbeispiel der 1 einen Winkel von 0° und bildet so die Referenz.
Eine erste Gruppe von Schussfäden 12 weist dabei eine erste Schussfädenrichtung auf, die in Bezug zu der Kettfädenausrichtung einen Winkel von +45° haben (positiv im Uhrzeigersinn). Darüber hinaus weist das Gewebehalbzeug 10 eine zweite Gruppe von Schussfäden 13 auf, die eine zweite Schussfädenrichtung haben, die in Bezug zu der Kettfädenausrichtung einen Winkel von -45° haben.
Hierdurch ergibt sich ein Gewebehalbzeug 10, welches in drei verschiedene Richtungen innerhalb der Gewebeebene verlaufende Verstärkungsfasern hat, nämlich 0°, +45° sowie -45°.
Bezugszeichenliste

10: Gewebehalbzeug
11: Kettfäden
12: erste Gruppe von Schussfäden
13: zweite Gruppe von Schussfäden

Claims

Gewebehalbzeug (10), welches wenigstens zwei voneinander verschiedene Fadensysteme hat und aus einer Vielzahl von Kettfäden (11) als erstes Fadensystem mit einer vorgegebenen Kettfädenausrichtung und einer Vielzahl von Schussfäden (12, 13) als wenigstens zweites Fadensystem mit mindestens einer von der Kettfädenausrichtung verschiedenen Schussfädenausrichtung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kettfäden (11) längliche Faserprofile sind, die jeweils aus einem länglichen Fasermaterial und ein das Fasermaterial imprägnierenden und vollständig konsolidierten Matrixmaterial gebildet sind.
Gewebehalbzeug (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Schussfäden (12, 13) aus einem länglichen Fasermaterial ohne imprägnierendes und vollständig konsolidiertes Matrixmaterial gebildet ist.
Gewebehalbzeug (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Schussfäden (12, 13) aus Glasfaserrovings oder Kohlenstofffaserrovings als längliches Fasermaterial gebildet ist.
Gewebehalbzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schussfäden (12, 13) eine gemeinsame Schussfädenausrichtung von im Wesentlichen 90° aufweisen oder dass eine erste Gruppe von Schussfäden (12) eine erste Schussfädenausrichtung und eine zweite Gruppe von Schussfäden (13) eine von der ersten Schussfädenausrichtung verschiedene zweite Schussfädenausrichtung aufweisen.
Gewebehalbzeug (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schussfädenausrichtung einen Winkel von im Wesentlichen +45° und die zweite Schussfädenausrichtung einen Winkel von im Wesentlichen -45° hat.
Gewebehalbzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kettfäden (11) längliche Faserrundprofile sind.
Gewebehalbzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kettfäden (11) aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) gebildet sind.
Faserverbundbauteil hergestellt aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundbauteil zumindest teilweise aus einem Gewebehalbzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gewebehalbzeuges (10) welches wenigstens zwei voneinander verschiedene Fadensysteme hat und aus einer Vielzahl von Kettfäden (11) als erstes Fadensystem mit einer vorgegebenen Kettfädenausrichtung von 0° und einer Vielzahl von Schussfäden (12, 13) als wenigstens zweites Fadensystem mit mindestens einer von der Kettfädenausrichtung verschiedenen Schussfädenausrichtung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass längliche Faserprofile als Kettfäden (11) verwendet werden, die jeweils aus einem länglichen Fasermaterial und ein das Fasermaterial imprägnierenden und vollständig konsolidierten Matrixmaterial gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen Teil der Schussfäden (12, 13) ein längliches Fasermaterial ohne imprägnierendes und vollständig konsolidiertes Matrixmaterial verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen Teil der Schussfäden (12, 13) Glasfaserrovings oder Kohlenstofffaserrovings als längliches Fasermaterial verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebehalbzeug (10) derart hergestellt wird, dass alle Schussfäden (12, 13) eine gemeinsame Schussfädenausrichtung von im Wesentlichen 90° aufweisen oder dass eine erste Gruppe von Schussfäden (12) eine erste Schussfädenausrichtung von im Wesentlichen +45° und eine zweite Gruppe von Schussfäden (13) eine zweite Schussfädenausrichtung von im Wesentlichen - 45° aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen Teil der Kettfäden (11) längliche Faserrundprofile verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen Teil der Kettfäden (11) ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) oder ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewebehalbzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 9 bis 14 als Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes verwendet wird.