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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gewebeverstärkten Werkstücks, Erzeugnisses oder Bauteils mit einer Hohlform sowie einen Faserverbundwerkstoff, welcher nach einem solchen Verfahren ausgebildet ist.
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Die vorliegende Anmeldung behandelt zudem auch noch textile Halbzeuge mit verbesserter Drapierbarkeit zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen sowie entsprechende Herstellungsverfahren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Textile Halbzeuge auf der Grundlage von Fasermaterialien mit ein oder mehr Fasertypen werden in vielen technischen Bereichen und Herstellungsverfahren zur Erzeugung von Werkstücken eingesetzt. Aufgrund der Vielfalt des Einsatzes und der zugrunde liegenden Vielfalt der herzustellenden Erzeugnisse werden besonders heute auch Anforderungen an die Drapierbarkeit derartiger textiler Halbzeuge bzw. an die drapierten Halbzeuge selbst gestellt.
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Das Drapieren ist das Anpassen und Aufbringen eines flächigen Halbzeugs an bzw. auf eine gekrümmte Oberfläche. Darunter sind einerseits Oberflächen zu verstehen mit einer kontinuierlichen Krümmung, andererseits Oberflächen mit nur teilweiser Krümmung. Insbesondere sind darunter zu rechnen Oberflächen mit Kanten, Ecken und Aussparungen. Oberflächen sind zudem auch Flächen, welche, etwa im Falle eines Rohres, nicht frei oder ohne Weiteres von Außen zugänglich sind, sondern etwa eine nach Innen weisende, von einem Betrachter abgewandten Fläche aufweisen. Damit betrifft ein Drapieren beispielsweise auch das Aufbringen eines textilen Halbzeugs auf die zur Drehachse eines zylindersymmetrischen Rohres weisende, innere Fläche eines Rohres.
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Die Drapierbarkeit beschreibt die Anformbarkeit von derartigen Halbzeugen bei einem Drapiervorgang und somit auch das Vermögen, einer Form mit oder ohne Faltenbildung zu folgen. Um bei textilen Halbzeugen im Sinne von Gelegen, Geweben, Geflechten, Gewirken, Gestricken oder dergleichen die Drapierbarkeit zu verbessern, wird mitunter vor der Herstellung des Halbzeugs, d. h. also vor den Prozessen des Legens, Flechtens usw., das zugrunde zu legende Fasermaterial, z. B. ein Roving oder ein Faserstrang mit Perforationen versehen, durch welche die darin enthaltenen Fasern durchtrennt werden, so dass letztlich in ihrer Längsausdehnung reduzierte Faserabschnitte entstehen. Zwar verbessert das die Eigenschaften der Drapierbarkeit, jedoch werden gleichzeitig auch andere Eigenschaften des zugrunde zu legenden Fasermaterials verändert, und zwar meistens in nachteiliger Art und Weise, weil der Kraft-, Zug- und Druckübertrag in Fasererstreckungsrichtung deutlich reduziert wird, mithin also der materielle Zusammenhalt des letztlich herzustellenden Halbzeugs leidet. Nachteilig ist zudem, dass ein solches Verfahren nicht oder nur mit großem Aufwand erlaubt, die Perforationen ortsgenau in dem nachfolgend herzustellenden textilen Halbzeug vorzusehen. Vielmehr werden die Perforationen weitgehend statistisch über das Halbzeug verteilt. Wird ein solches Halbzeug anschließend drapiert, kommt es zu kaum kontrollierten Faserverschiebungen innerhalb des Halbzeugs, welche die zu gewährleistende Festigkeit des drapierten Halbzeugs wenigstens in Bereichen in Frage stellen können. So können manche Bereiche übermäßig hinsichtlich der Faserdichte ausgedünnt werden. Erfordern diese Bereiche jedoch eine hohe Festigkeit für eine bestimmte Anwendung, so mag mitunter das Halbzeug für eine solche Anwendung nicht mehr brauchbar sein. Das Halbzeug wäre als Ausschuss durch ein weiteres, geeigneteres Halbzeug zu ersetzen.
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Darüber hinaus gestaltet sich natürlich auch die Handhabung eines z. B. perforierten Rovings bei der Herstellung des Halbzeugs schwieriger, wodurch der Aufwand beim Herstellungsverfahren für das textile Halbzeug deutlich ansteigen kann. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Perforationen nicht zu einer vollständigen Durchtrennung aller Fasern führen, sondern lediglich einen Teil der vorhandenen Fasern durchtrennt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines gewebeverstärkten Werkstücks, Erzeugnisses oder Bauteils mit einer Hohlform, sowie einen Faserverbundwerkstoff, welcher nach einem solchen Verfahren ausgebildet ist, anzugeben, bei welchem das zugrunde zu legende faserbasierte textile Halbzeug ein besonders hohes Maß an Drapierbarkeit besitzt, ohne dass es zu einem erhöhten Aufwand bei dessen Herstellung kommt. Insbesondere ist es auch Aufgabe der Erfindung, zu gewährleisten, dass die Perforationen kontrollierte Faserverschiebungen in dem textilen Halbzeug ermöglichen, so dass das drapierte Halbzeug auch noch nach erfolgtem Drapieren ausreichend Festigkeit gewährleisten kann, Dies betrifft vor allem die Festigkeit im Bereich von gekrümmten Oberflächen, also auch dort, wo typischerwelse Knickstellen bzw. Faltenwürfe beim Drapieren entstehen können. Insofern ist es auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung eines gewebeverstärkten Werkstücks, Erzeugnisses oder Bauteils mit einer Hohlform erlaubt, ohne jedoch im Bereich gekrümmter Oberflächen eine unerwünschte Schwächung des textilen Halbzeugs zu verursachen.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren nach Patentanspruch 1, und bei einem Faserverbundwerkstoff erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängen Ansprüchen definiert.
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Es wird gemäß eines Aspektes der vorliegenden Anmeldung ein Verfahren zum Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs – insbesondere mit verbesserter Drapierbarkeit – geschaffen, bei welchem zunächst unter Verwendung eines Fasermaterials ein faserbasiertes textiles Halbzeug, insbesondere ein Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk oder Gestrick, ausgebildet wird. Dann wird nachfolgend an dem faserbasierten textilen Halbzeug eine Mehrzahl von Perforationen ausgebildet, durch welche Fasern einzeln, gruppenweise und/oder bündelweise durchtrennt werden. Das so erhaltene Erzeugnis wird anschließend drapiert. Die Perforationen sind oder werden hierbei in Bereichen ausgebildet, welche keine Knickstellen aufweisen. Knickstellen sind hier im Sinne einer sich verändernden Krümmung der Oberfläche des textiles Halbzeugs zu verstehen. So bilden sich etwa Knickstellen zwischen einer nicht gekrümmten Fläche und einem darauf angeordneten Drapierkörper dann aus, wenn über den Drapierkörper das textile Halbzeug gelegt und an den Drapierkörper angepresst wird. Knickstellen sind insbesondere nicht vorhanden beim Drapieren von textilen Halbzeugen auf die Innenseite von zylindrischen Rohren, da dort die Krümmung der Fläche in Umfangsrichtung gleich bleibend ist. Knickstellen sind insbesondere immer dort anzutreffen, wo sich die Oberfläche, auf welche das textile Halbzeug drapiert wird, diskontinuierlich hinsichtlich der Krümmung der Oberfläche ändert. Knickstellen sind insbesondere auch in Bereichen bei Ecken, Kanten, Sprüngen, Spitzen und dergleichen anzutreffen.
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Erfindungsgemäß wird das oben beschriebene Verfahren angewandt zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs, bei welchem einen faser- und insbesondere gewebeverstärktes Werkstück, Erzeugnis oder Bauteil mit einer Hohlform, insbesondere ein Rohr oder dergleichen, ausgebildet wird, insbesondere als innenaufgeblasene Struktur.
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Innenaufgeblasene Strukturen lassen sich etwa durch einen Vorgang des Drapierens unter Zuhilfenahme einer Expansionsvorrichtung herstellen. Hierzu wird etwa das zu drapierende textile Halbzeug auf eine Formfläche aufgelegt, welche beispielsweise bei einem Formkörper nach Innen weist und nicht ohne Weiteres frei zugänglich ist, so etwa bei einem zylindrischen Rohr die nach innen zur Drehsymmetrieachse weisende Innenfläche. Um das textile Halbzeug auf diese Fläche zu drapieren, wird eine Expansionsvorrichtung in das Rohr eingeführt, so dass das zu drapierende textile Halbzeug zunächst zwischen der Expansionsvorrichtung und der Innenfläche des Rohres angeordnet ist. Wird nun die Expansionsvorrichtung betrieben, indem etwa ein zylindrisch ausgeformter Balloon expandiert wird, wird das textile Halbzeug gegen die Innenwand des Rohres gepresst, es wird also der Drapiervorgang vorgenommen. Nach Erreichen eines vorbestimmten Durchmessers wird die Expansionsvorrichtung deaktiviert, wobei nun das textile Halbzeug die Form der Innenwand des Rohres angenommen hat. Dies setzt natürlich voraus, dass die Expansionsvorrichtung entsprechend passgenau geformt ist.
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Es wird gemäß eines Aspekts der vorliegenden Anmeldung insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines faserbasierten textilen Halbzeugs – insbesondere mit verbesserter Drapierbarkeit – geschaffen, bei welchem zunächst unter Verwendung eines Fasermaterials ein faserbasiertes Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk oder Gestrick als faserbasiertes textiles Halbzeug ausgebildet wird, bei welchem dann nachfolgend eine Mehrzahl von Perforationen ausgebildet wird, durch welche Fasern einzeln, gruppenweise und/oder bündelweise durchtrennt werden, und bei welchem das so erhaltene Erzeugnis als textiles Halbzeug bereit gestellt wird.
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Es ist also ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung, beim Herstellungsverfahren anstelle ein perforiertes Fasermaterial als Ausgangsmaterial zu Grunde zu legen, zunächst auf der Grundlage eines – jetzt unperforierten – Fasermaterials ein entsprechendes Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk oder Gestrick als faserbasiertes textiles Halbzeug auszubilden und dann nachfolgend an diesem Halbzeug eine Mehrzahl von Perforationen auszubilden. Durch dieses Vorgehen wird also zunächst ein gewöhnliches faserbasiertes textiles Halbzeug mit sämtlichen Vorteilen im Hinblick auf seine mechanische Robustheit erzeugt und bereitgestellt. Erst dann wird zur Verbesserung der Drapierbarkeit nachträglich eine entsprechende Anzahl von Perforationen ausgebildet, um dadurch die Vorteile der dabei entstehenden Längenausgleichszonen für die spätere Anwendung nutzbar zu machen.
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Erfindungsgemäß werden die Perforationen in oder an Bereichen ausgebildet, in oder an denen das textile Halbzeug keine Knickstellen nach dem Drapieren aufweist. Damit wird verhindert, dass insbesondere in Bereichen der Knickstellen keine unerwünschte Faserausdünnung vorliegt. Werden nämlich die Perforationen in Bereichen außerhalb der Knickstellen vorgesehen, werden die in dem textilen Halbzeug vorliegenden Faserabschnitte durch das Drapieren so in dem textilen Halbzeug verschoben, dass auch in dem Bereich der Knickstellen noch alle, bzw. eine noch ausreichende Anzahl an Fasern zur Festigkeitssteigerung zur Verfügung stehen können. Die Durchtrennung der Fasern bzw. die durch das Drapieren erzeugte bereichsweise Ausdünnung der Fasern erfolgt erfindungsgemäß in Bereichen, in welchen das textile Halbzeug gleiche Krümmung, insbesondere keine Krümmung aufweist. Diese Bereiche sind jedoch in den Faserverbundwerkstoffen, in welchen ein solches textiles Halbzeug eingesetzt wird, typischerweise geringeren Krafteinwirkungen ausgesetzt. Anders verhält es sich jedoch mit den Bereichen, in welchen Knickstellen vorliegen, welche typischerweise auch höheren Belastungen ausgesetzt sind, so dass im Falle einer Faserausdünnung in diesen Bereichen eine zukünftige Materialermüdung in dem Faserverbundwerkstoff nicht ausgeschlossen werden kann. Werden jedoch in diesen Bereichen der Knickstellen durch ein geeignetes Vorsehen der Perforationen außerhalb der Knickstellen, diese Bereiche beim Drapieren nicht ausgedünnt, können solche Probleme vermieden werden.
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Das Ausbilden der Perforationen am textilen Halbzeug kann im trockenen Zustand, insbesondere im trockenen Zustand der zu Grunde liegenden Fasern erfolgen.
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Das faserbasierte textile Halbzeug kann trocken ausgebildet werden, insbesondere unter Verzicht auf Bindermaterialien oder dergleichen.
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Das faserbasierte textile Halbzeug kann vor dem Ausbilden der Perforationen getrocknet werden, gegebenenfalls unter Vorschaltung eines Waschprozesses.
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Aufgrund des erhöhten mechanischen Zusammenhalts und der mechanischen Robustheit des faserbasierten textilen Halbzeugs erübrigen sich Aspekte des häufig beim Stand der Technik vorzusehenden Hinzufügens von Bindermaterialien oder dergleichen. Vielmehr kann also hier mit trocknen oder getrockneten Fasermaterialien gearbeitet werden, so dass die üblicherweise vorzusehenden Schritte des Hinzufügens des Binders und des wieder Herauslösens der Bindermaterialien beim Endprodukt oder auch andere Vorsichtsmaßnahmen entfallen.
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Dies ist jedoch nur eine Option. Das Herauslösen des Binders muss nicht zwangsläufig am Endprodukt erfolgen. Es ist auch vorher – z. B. vor der Textilherstellung – denkbar.
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Denkbar ist in diesem Zusammenhang ferner die Herstellung von Gelegen mit Bindern statt mit Wirkfäden.
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Zwar sind viele Einzelprozesse im Zusammenhang mit dem Perforieren an einzelnen Fasern oder Filamenten durchführbar und entfalten dort schon in vorteilhafterweise ihre Wirkung, jedoch ist der Bezug auf Faser- oder Filamentbündel und insbesondere auf Rovings von besonderer Bedeutung.
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Ein Filament ist eine sehr lange und im Idealfall endlos lange Textilfaser, mindestens jedoch 1.000 m lang. Mehrere Filamente bilden ein Multifilament. Ein Roving ist ein Multifilament, also ein Bündel aus Einzelfilamenten, bestehend aus sehr dünnen Einzelfilamenten. Die Einteilung hierbei erfolgt über die Anzahl der Einzelfilamente.
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Textile Faserstoffe haben einen runden oder annähernd runden Querschnitt (auch oval, trilobal, sternförmig, schäfchenwolkenförmig). Ist der Querschnitt flach, z. B. zwei bis drei Mal breiter als dick, so spricht man nicht mehr von Fasern, sondern von Folienbändchen, Bändchen, Folienstreifen oder fibrillierten Bändchen.
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Textilfasern weisen im Vergleich zu ihrer Dicke D eine große Länge L auf, z. B. mit L/D > 1000, und sind entsprechend schlank und biegsam. Fasern für technische Bereiche – z. B. Faserstaub, Asbestfasern, Faserbruchstücke – beginnen schon bei einem Verhältnis L/D > 3 mm–10 mm.
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Im Textilbereich spricht man von Kurzfasern, wenn die Länge L bei etwa 10 mm bis etwa 12 mm liegt, bei Baumwolle von einem Kurzfaseranteil wenn die Länge etwa unter 12,7 mm (0,5'') liegt.
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Flockfasern und Fasern für die Nassfliesherstellung können eine Länge L von 2 mm bis 3 mm aufweisen.
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Fasern werden ferner unterteilt in Spinn- oder Stapelfasern und Filamente, Mono- und Multifilamente.
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Anhand der Rohstoffe unterscheidet man Naturfasern (Baumwolle, Wolle, Jute, Flachs, Hanf, Ramie, usw.), Chemiefasern (Polyester, Propylen, Polyamide, Polyacryl, Viskose, Modal, Lyocell, Acetat, usw.) und Fasern aus anorganischen Rohstoffen (Carbon, Glas, Metall usw.). Diese können sämtlich einzeln oder in beliebiger Kombination bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
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Vor diesem allgemeinen Hintergrund können Perforationen auch nur teilweise ausgebildet werden, so dass etwa Rovings, Faserbündel oder Fasern nicht vollständig durchtrennt werden. Es kann also hier ausgenutzt werden, dass bereits eine unvollständige Durchtrennung eines Rovings, eines Faserbündels oder einer Faser transversal zur jeweiligen Fasererstreckungsrichtung schon zu einer Flexibilisierung des Faserensembles insgesamt führt, weil z. B. die Biegeeigenschaften und damit die Drapierbarkeit verbessert werden. Auch kann daran gedacht werden, dass ein fast vollständiges Durchtrennen dann beim tatsächlichen Drapieren doch auftritt und genutzt wird.
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Perforationen können in Bezug auf die laterale Erstreckung (xy) des faserbasierten textilen Halbzeugs lokal oder lokal konzentriert ausgebildet werden.
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Erfindungsgemäß werden Perforationen in Bezug auf die laterale Erstreckung (xy) des faserbasierten textilen Halbzeugs höchstens in Bereichen ausgebildet werden, in denen – insbesondere in der Anwendung oder Verwendung des auszubildenden textilen Halbzeugs – keine Knicke, Falten oder Faltungen vorgesehen sind oder werden. Wie werter oben ausgeführt, wird damit gerade in diesen Bereichen eine Ausdünnung und damit eine nachfolgende Materialschwächung vermieden.
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Natürlich verändern auch die im Nachhinein, also nach der Erstellung des eigentlichen Halbzeugs hinzugefügten Perforationen die mechanischen Eigenschaften des Halbzeugs, insbesondere im Hinblick auf die mechanische Robustheit und die Übertragung von Kraft, Druck und Schub. Diese mechanischen Veränderungen können jedoch auf ein Mindestmaß reduziert werden, und gerade in lokaler Art und Weise, indem nämlich nur in denjenigen Bereichen durch das Vorsehen von Perforationen Längenausgleichszonen geschaffen werden, es es notwendig ist, so dass nur mit einem Minimum an veränderten mechanischen Eigenschaften zu rechnen ist. Weiter kann durch ein Anpassen der Perforationen in Bezug auf die zukünftig zu ereichende Drapierform, die Faserverschiebung in dem textilen Halbzeug gezielt derart beeinflusst werden, so dass die Längenausgleichszonen, die für die Faserausdünnung verantwortlich sind, außerhalb der Knickstellen oder Faltenwürfe angeordnet sind, nachdem der Drapiervorgang abgeschlossen ist.
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Bei Mehrlagigkeit des faserbasierten textilen Halbzeugs können Perforationen alternativ oder zusätzlich lokal ausgebildet werden, so dass durch eine Perforation nicht sämtliche Lagen vollständig durchtrennt werden.
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Es ist je nach Anwendung nicht unbedingt erforderlich, dass bei mehrlagigen textilen Halbzeugen sämtliche Lagen perforiert werden. Vielmehr können je nach Anwendung ein oder mehrere äußere Lagen – ggf. z. B. obere oder untere Decklagen – perforiert werden oder verschont bleiben; diese Situationen sind ohne Weiteres über den Aufbau und die Verwendung des oder der Halbzeuge realisierbar. Auch können sich in vertikaler Richtung perforierte und verschonte Bereiche abwechseln. Auch ist daran zu denken, dass gezielt bestimmte Schichten perforiert, andere dagegen verschont bleiben.
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Bei Mehrlagigkeit der faserbasierten textilen Halbzeugs können innere Lagen – insbesondere bei mehr als zwei Lagen insgesamt – perforiert werden, indem eine Mehrzahl geringerlagiger faserbasierter textiler Halbzeuge bereitgestellt und entsprechend perforiert und dann zum zu erzeugenden textilen Halbzeug zusammengefügt werden.
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Es können Perforationen als Löcher, Schlitze, Schnitte, Bohrungen oder dergleichen ausgebildet werden, ferner auch durch Prozesse des Schlagens, Reißens, Brechens, Stanzens, Quetschens und dergleichen.
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Die Perforationen können mechanisch, optisch und/oder thermisch ausgebildet werden, insbesondere unter Verwendung von Messern, Cuttern oder Lasereinrichtungen, letztere insbesondere im Zusammenhang mit CO2-Lasern oder Nd:YAG-Lasern.
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Es können bei dem Fasermaterial ein oder mehrere Fasertypen aus der Gruppe zu Grunde gelegt werden, die Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Naturfasern, wie z. B. Flachs, Hanf, Palymerfasern und deren Derivate und Kombinationen aufweist, insbesondere auch in Form von Faserbündeln, Rovings oder dergleichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Anmeldung wird ein textiles Halbzeug geschaffen.
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Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs angegeben, bei welchem ein oder mehrere textile Halbzeuge und/oder durch ein oder mehrere Herstellungsverfahren hergestellte textile Halbzeuge verwendet werden und/oder bei welchem das Herstellungsverfahren für textile Halbzeuge teilweise oder vollständig integriert aufgenommen ist, wobei bei diesem Verfahren ein faser- und insbesondere gewebeverstärktes Werkstück, Erzeugnis oder Bauteil mit einer Hohlform, insbesondere ein Rohr oder dergleichen, ausgebildet wird, insbesondere als innenaufgeblasene Struktur.
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Dabei können die Perforationen, insbesondere als Einschnitte, in einer Hauptrichtung ausgebildet sein oder werden, um insbesondere ein oder mehrere äußere Umfangslagen des oder der zu Grunde zu legenden textilen Halbzeuge zu dehnen.
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Ausführungsgemäß können auch mehrere Lagen des textilen Halbzeugs übereinander gelegt werden, wobei die Perforationen in dem textilen Halbzeug so aufeinander abgestimmt sind, dass nach erfolgter Drapierung, die Längenausgleichszonen der einzelnen Lagen nicht direkt oder nicht überlappen. Vor allem bei der Anfertigung von innen-aufgeblasenen Rohren werden typischerweise mehrere Lagen eines textilen Halbzeugs in ein Rohr zur Formgebung eingeführt. Dieses Halbzeug kann auch als Prepreg ausgestaltet sein. Ausführungsgemäß kann auch eine einzige Lage eines textilen Halbzeugs rohrförmig aufgerollte werden, wobei dann die Rolle dieses textilen Halbzeugs zur Drapierung, also zur Formgebung, in das formgebende Rohr eingeschoben wird, Anschließend werden die mehreren übereinander angeordneten Lagen mittels einer Expansionsvorrichtung aufgeweitet, wobei ein entsprechender Längenausgleich in dem textilen Halbzeug in Umfangsrichtung der Rohrinnenwand erfolgt. Ausführungsgemäß können die Perforationen der einzelnen aufeinander angeordneten Lagen gegeneinander auch so versetzt angeordnet sein, so dass nach erfolgter Aufweitung bzw. Drapierung die Längenausgleichszonen nicht überlappen. Dies erhöht einerseits die allgemeine Festigkeit und vermindert das Auftreten von möglichen Fehlstellen nach erfolgter Drapierung. Zudem kann auf diese Art und Weise eine über die Dicke des so hergestellten Rohres gleichmäßige Wandstärke erzeugt werden.
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Schließlich kann auch ein Faserverbundwerkstoff erzeugt werden, welcher gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffs ausgebildet ist oder wurde, insbesondere in Form eines innenaufgeblasenen Rohres.
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Diese und weitere Aspekte werden beispielhaft auf der Grundlage der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 erläutert in Form eines schematischen Blockdiagramms eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines textilen Halbzeugs;
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2A–3D zeigen in Form von schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansichten bzw. Draufsichten Zwischenstufen, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines textilen Halbzeugs erreicht werden;
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4A, 4B zeigen in schematischer und geschnittener Seitenansicht das Drapiervermögen eines herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten faserbasierten textilen Halbzeugs, wobei das Halbzeug in Gewebeform um einen Kugelkörper herum drapiert ist;
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5 zeigt in perspektivischer Draufsicht die in der 4B dargestellte Situation;
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6A–6D zeigen in schematischer Drauf- und Seitenansicht das Drapiervermögen eines erfindungsgemäß hergestellten faserbasierten textilen Halbzeugs in Form eines Geleges, welches um einen Quader herum drapiert wird;
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DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sämtliche dargestellte Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden.
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Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
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Die Figuren beschreiben Aspekte der Erfindung exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen und in schematischer Art und Weise und sind nicht maßstabsgetreu, solange nichts anderes gesagt ist. Sind in Figuren Aspekte der Erfindung nicht dargestellt, ist dies explizit angemerkt.
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Zunächst wird auf die Zeichnungen im Allgemeinen Bezug genommen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch hinsichtlich ihrer Drapierbarkeit verbesserte faserbasierte textile Halbzeuge zur oder für die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen (FVW) oder Faserverbundkunststoffen (FVK) sowie entsprechende Herstellungs- oder Produktionsverfahren.
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Die mangelnde Drapierbarkeit von textilen Halbzeugen, insbesondere von Fasergelegen oder dergleichen ist z. B. bei der bei der Fertigung von Faserverbundstrukturen problematisch. Dies verhindert einen weiterverbreiteten Einsatz von FVK in der Großserie.
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Zur Lösung bestehen verschiedene Ansätze: Im Bereich der trockenen Preforms können die Fasern vor der Halbzeugherstellung definiert in kleinere Teile geschnitten oder gebrochen und teilweise durch Binderwerkstoffe zusammengehalten werden. Jedoch sind auch die Verarbeitung von textilen Halbzeugen aus unbeschädigten Fasern von der Erfindung mit abgedeckt.
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Bei vorimprägnierten Fasern, so genannten Prepregs, können Löcher mit Hilfe eines Lasers in das Material gebrannt werden. Durch die Einstellung der Laserlichtparameter können so auch einzelne Fasern, Bündel oder Abschnitte gezielt auch lokal behandelt werden. Laserlicht kann aber auch dazu eingesetzt werden, trockene Halbzeuge gezielt zu behandeln.
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Bei einer definierten Schädigung der Rovings vor der Verarbeitung zu textilen Halbzeugen jedoch bestehen im Wesentlichen drei Probleme:
- – Die Schädigung/Bearbeitung erfolgt meist auf ganzer Länge und nicht lokal.
- – Die bearbeiteten Rovings können auf Textilmaschinen nur unbefriedigend zu Halbzeugen – wie z. B. Gelegen oder Geflechten – weiterverarbeitet werden.
- – Bei der Verwendung von Bindern kann ein zusätzlicher Arbeitsschritt nötig werden, wenn diese ganz oder teilweise wieder entfernt werden müssen.
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Die Drapierbarkeit von textilen Halbzeugen 30/40 wird entsprechend einem Aspekt der Erfindung verbessert und insbesondere definiert eingestellt. Dadurch werden die genannten Nachteile der beschriebenen sonstigen Ansätze umgangen.
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Dies wird erreicht durch kontrollierte Perforation der Fasern – z. B. mittels eines Lasers – und zwar nach der Verarbeitung zu einem Halbzeug 30. Dadurch wird erreicht, dass sich die Fasern 21 bei der Drapierung verschieben und sich somit die Drapierbarkeit des Halbzeugs 40 verbessert. Die erfindungsgemäße Verbesserung ist insbesondere darin zu sehen, dass keine Längenausgleichszonen im Bereich der Knickstellen bzw. Faltwürfe nach dem Drapieren vorgesehen sind. Dies kann bevorzugt ohne zusätzliche Hilfsstoffe – wie z. B. Binder – erfolgen.
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Ein Kern der Erfindung ist also u. a, die Bearbeitung von üblichen textilen Halbzeugen statt der Rovings 22 wie bei anderen Verfahren für nicht imprägnierte oder trockene Fasern 21.
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Durch die lokale Bearbeitung können die Drapiereigenschaften lokal eingestellt werden. Hierdurch ist es möglich, eine Längenausgleichzonen der Fasern 21 in Bereiche zu legen, in denen eine geringe Reduzierung der mechanischen Eigenschaften möglich bzw. auch erwünscht ist. So werden Verschiebungen, welche zwangsläufig beim Drapieren entstehen, nicht durch das gesamte Halbzeug 40 weitergegeben, sondern können lokal begrenzt werden in Bereichen, die keine Knickstellen bzw. Faltenwürfe aufweisen.
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Weiterhin kann bei mehrschichtigen Halbzeugen die Bearbeitung auf eine Faserrichtung beschränkt werden, so dass in den anderen Richtungen weiterhin die Materialeigenschaften der unbehandelten Faser 21 zur Verfügung stehen.
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Das Ausbilden von Perforationen 25 ermöglicht, Längenausgleichszonen in das Fasermaterial 20 zu integrieren. So kann quasi eine Verschiebung der Fasern bzw. des textilen Halbzeugs erreicht werden, indem die Fasern bereichsweise verschoben werden. Lokale Verschiebungen werden nicht durch das gesamte Halbzeug 40 und damit nicht durch das gesamte Bauteil weitergereicht. Somit kann ein Faserverzug des textilen Halbzeugs 40 deutlich reduziert werden.
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Durch die lokale Anwendung der Perforation 25 ist es möglich, diese Zonen, welche schlechtere mechanische Eigenschaften besitzen, in Bereiche des Halbzeugs 40 oder Bauteils zu legen, in denen es von der Belastung her möglicht ist.
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Wichtig ist, dass das Halbzeug 40 z. B. ausschließlich in einem bestimmten Bereich und dort auch nur in einer außen – z. B. oben – liegende 0°-Lage perforiert werden kann, die andere außen liegende Lage, z. B. eine untere 90°-Lage kann unverändert bleiben. Natürlich sind je nach An- oder Verwendung auch andere Szenarien denkbar, so dass z. B. die Lagen der eben beschriebenen Situation vertauscht sein können.
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Das so hergestellte Halbzeug 40 kann als eine Weiterentwicklung eines herkömmlichen Halbzeuges aufgefasst werden. Der Begriff Halbzeug meint hier insbesondere auch ein Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk, Gestrick oder ähnliches.
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Prinzipiell sind sowohl Schnitte als auch Bohrungen zur Ausbildung von Perforationen 25 möglich. Als zusätzliches Verfahren wäre die Verwendung eines maschinellen Cutters möglich.
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in horizontaler Ebene ist bei der Perforierung prinzipiell jedes beliebige Schnittmuster möglich. In vertikaler Richtung muss ggf. eine Lage komplett durchtrennt werden. In diesem Fall ist eine sehr genaue Einhaltung der Schnitttiefe zwingend erforderlich.
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Für die Laser- bzw. Cutterbehandlung ist nur die Verwendung von Gelegen sinnvoll um eine kontrollierte Schädigung einer Lage (respektive einer Faserrichtung) zu ermöglichen. Theoretisch wäre noch die Verwendung von Geweben, Geflechten und Gesticken denkbar.
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Als weitere Fasern neben Glas und Kohlenstoff sind noch Aramid, Polymerfasern sowie sämtliche Naturfasern denkbar.
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Die Bearbeitung bei einem biaxialen Gelege würde folgendermaßen aussehen: Einbringung und Positionierung der Rovings mit anschließender Verwirkung. Anschließend kann sowohl die Ober- als auch die Unterseite des Geleges mit dem Laser bzw. mit einem Cutter bearbeitet werden. Als letzten Schritt kann ein Zuschnitt zu einzelnen Preforms bzw. ein Aufrollen erfolgen. Die Gelegemaschine würde um eine Laseranlage erweitert werden.
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Bei Gelegen mit mehr als zwei Lagen müsste aus Gründen der Zugänglichkeit über die jeweiligen Halbzeugstadien eine Bearbeitung der inneren Lagen erfolgen bevor die äußeren Lagen aufgebracht und fixiert werden.
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Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.
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1 zeigt in Form eines schematischen Blockdiagramms in Kombination eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs.
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Nach einem einleitenden und vorbereitenden Schritt S0 werden in einem ersten Arbeitsschritt S1 das zu Grunde liegende Fasermaterial 20 mit oder aus Fasern 21 und gegebenenfalls weitere materielle Komponenten bereitgestellt.
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Im darauf folgenden weiteren Schritt S2 wird ein Gelege, Geflecht, Gewebe, Gewirk oder Gestrick 31 ausgebildet, im Ergebnis davon wird ein faserbasiertes textiles Halbzeug 30 als Vorform des letztendlich zu erhaltenden Halbzeugs 40 erhalten.
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Im darauf folgenden Schritt S3 wird das so erhaltene faserbasierte textile Halbzeug 30 perforiert, d. h. dass Perforationen 25 in der Faserstruktur ausgebildet werden. Im Ergebnis davon wird ein faserbasiertes textiles Halbzeug 40 erhalten.
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Damit ist der eigentliche Herstellungsprozess für das faserbasierte textile Halbzeug 40 abgeschlossen. Das erhaltene textile Halbzeug 40 kann nun entweder zwischengelagert werden oder einem Weiterverarbeitungsprozess unterworfen werden.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird das textile Halbzeug 40 einem Weiterverarbeitungsschritt 84 unterzogen, um daraus einen Faserverbundwerkstoff 100 auszubilden, gegebenenfalls darüber hinaus auch in Form eines Werkstücks, z. B. eines innenaufgeblasenen Rohrs oder eines anderen Hohlkörpers.
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Mit dem abschließenden Schritt S5 ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren beendet.
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Das dargestellte Verfahren kann abschnittsweise – nämlich in den Schritten S2 und S3 – iterativ durchgeführt werden, um ein mehrlagiges oder mehrschichtiges Halbzeug 40 mit innen liegenden perforierten Lagen oder Schichten auszubilden.
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Die Abfolge der 2A bis 2D zeigt in schematischer Draufsicht verschiedene Zwischenstufen, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erreicht werden. Die entsprechenden 3A bis 3D beschreiben die in den 2A bis 2D dargestellten Situationen oder Zwischenstadien in schematischer und geschnittener Seitenansicht.
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Im Zustand der 2A bzw. 3A wird zunächst als Grundstruktur ein Endlosfaserroving 22 als Fasermaterial 20 mit Fasern 21 bereitgestellt. Dieser ist von seiner Natur her eine ununterbrochene Struktur und weist keine Lücken und insbesondere keine Perforationen auf.
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Im Übergang zu den in den 2B bzw. 3B dargestellten Zwischenzustand wird dann zunächst aus dem Endlosroving 22 eine erste Lage 23, z. B. eines Geleges aus den Fasern 21 – hier als Fasern 21x in x-Richtung – des Rovings 22 ausgebildet, wobei hier die Erstreckungsrichtung x als Erstreckungsrichtung für das herzustellende Halbzeug 40 vorgegeben ist und die so graphisch dargestellte erste Lage eine 0°-Lage ist.
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Im Übergang zu dem in den 2C bzw. 3C dargestellten Zwischenzustand wird dann eine zusätzliche zweite Lage 24 aufgebracht, die hier eine 90°-Lage ist, und zwar aus oder mit Fasern 21y in y-Richtung.
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Damit ist das faserbasierte textile Halbzeug 30 z. B. im Sinne eines Geleges 31 fertig gestellt.
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Im Übergang zu dem in den 2D bzw. 3D gezeigten Zwischenzustand werden dann über einen entsprechenden Perforationsmechanismus Perforationen 25 in der Faserstruktur ausgebildet.
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Das bedeutet, dass einzelne Fasern quer zu ihrer Erstreckungsrichtung, hier also die x-Richtung für die erste Lage 23 bzw. die y-Richtung für die zweite Lage 24 vollständig durchtrennt werden, und zwar in z-Richtung, wobei die Perforationen für die x-Fasern 21x mit 25x für die y-Fasern 21y mit 25y bezeichnet werden.
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Bei den in den 2A bis 3D gezeigten Situationen werden Fasern 21 aus beiden Lagen 23, 24 mit Perforationen 25 ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die Perforationen 25 können sich auch auf einzelne Lagen beschränken oder auf Gruppen von Lagen, es müssen nicht sämtliche Lagen von den Perforationen betroffen sein.
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Bei den 2A bis 3D wurde ein Gelege 31 zu Grunde gelegt, dies ist jedoch nicht zwingend, wie dies vorangehend bereits dargelegt wurde.
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4A zeigt in geschnittener und schematischer Seitenansicht, wie ein herkömmliches, aus dem Stand der Technik bekanntes textiles Halbzeug, hier in Form eines faserbasierten textilen Halbzeugs 30, ohne Perforationen 25, um einen Körper K, hier in Form einer Kugel drapiert werden kann.
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Zu erkennen ist, dass – ausgehend vom Boden, auf welchem die Kugel K angeordnet ist – das Halbzeug 30 zum Scheitel des Körpers K emporstrebt und dann zu der Grundfläche zurückkehrt. Ein Anschmiegen oder optimales Drapieren am Körper K findet nur im oberen Bereich, also auf der vom Boden abgewandten Seite statt. Insbesondere den Einschneidungen auf der dem Boden zugewandten Seite kann das Halbzeug 30 nicht folgen. Gerade hier ist jedoch ein Bereich einer sich verändernden Krümmung angeordnet, also eine Knickstelle, im Sinne der Erfindung, die auch Anlass zum Faltenwurf geben kann.
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Die 4B zeigt im Gegensatz dazu, dass durch das Vorsehen von Perforationen 25 in der Faserstruktur nach dem Perforieren des Halbzeugs 30 das Folgevermögen und damit die Drapierfähigkeit des faserbasierten textilen Halbzeugs 40 wesentlich verbessert ist. Die Perforationen 25 sind hierbei weitgehend gleich verteilt über die Fläche des textilen Halbzeugs 40. Beim faserbasierten textilen Halbzeug 40 findet ein Anschmiegen an den Körper K wesentlich näher in den Einschnürungsbereichen auf der dem Boden zugewandten Seite statt. Zum Vergleich ist noch einmal die Verlaufslinie beim Drapieren des Halbzeugs 30 angedeutet. Nachteilig an der Anordnung der Perforationen ist jedoch deren Vorsehen an Stellen, welche eine sich verändernde Krümmung aufweisen. So werden mitunter gerade in diesen Bereichen Schwachstellen ausgebildet, dies es erfindungsgemäß zu vermeiden gilt.
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Die 5 zeigt in perspektivischer Draufsicht die in der 4B gezeigte Situation unter Zugrundelegung eines Gewebes 31. Dort ist insbesondere zu erkennen, dass in dem Übergangsbereich zischen der krümmungslosen Auflagefläche für einen Drapierkörper und der Kugeloberfläche zahlreiche Längendehnungszonen angeordnet sind, die zu einer Materialschwächung in diesem Bereich führen.
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Zu erkennen ist, dass aufgrund der im Verlauf der Fasern 21, nämlich der Fasern 21x in x-Richtung und der Fasern 21y in y-Richtung, vorgesehenen Perforationen 25 das Anschmiegevermögen und damit die Drapierfähigkeit des textilen Halbzeugs 40 deutlich verbessert werden. Durch die Perforationen werden in x-Richtung Faserabschnitte 21xp und in y-Richtung Faserabschnitte 21yp ausgebildet, die in ihrer Gesamtheit entsprechende Längenausgleichszonen realisieren, die die Grundlage für die Drapierfähigkeit entlang einer dreidimensionalen Struktur definieren.
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Die 6A bis 6D zeigen in schematischer Drauf- und Seitenansicht das Drapiervermögen eines erfindungsgemäß hergestellten faserbasierten textilen Halbzeugs 40, hier in Form eines Geleges 31, welches um einen Quader als Körper K herum drapiert wird.
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Dabei zeigen die 6A und 6B die Situation vor oder beim Drapieren; das erfindungsgemäße Halbzeug 40 wird entgegen der z-Richtung auf den Körper K abgelegt. Im drapierten Zustand gemäß den 6C und 6D entstehen aufgrund des unterschiedlichen Faserlaufs beim Anschmiegen am Körper K Ausgleichszonen A. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von Perforationen 25 in den Bereichen des textilen Halbzeugs 40, welche nach dem Drapieren keine Knickstellen bzw. Faltenwürfe aufweisen, kommt es zu Materialausdünnungen in Bereichen, welche nicht mit den Flächen des Drapierkörpers überlappen. Durch die lokal angeordneten Perforationen 25, die in den 6A bis 6D nicht explizit dargestellt sind, wird das Ausmaß des Auftretens derartiger Ausgleichszonen A, in denen sich veränderte Textileigenschaften ergeben, auf die Bereiche beschränkt, die nach erfolgtem Drapieren nicht mit Knickstellen bzw. Faltenwürfen überlappen.
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Die Ausgleichszonen A sind jeweils durch eine Ellipse markiert. Es ist deutlich zu sehen, dass die sich ergebenden Verschiebungen lateral nicht durch das gesamte Material gereicht werden, sondern in den und durch die markierten Bereiche ausgeglichen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Fasermaterial
- 21
- Faser
- 21x
- Faser in x-Richtung, x-Faser
- 21xp
- Faserabschnitt in x-Richtung
- 21y
- Faser in y-Richtung
- 21yp
- Faserabschnitt in y-Richtung
- 22
- Roving, Faserbündel
- 25
- Perforation
- 25x
- Perforation in x-Richtung/an der x-Faser 21x
- 25y
- Perforation in y-Richtung/an der y-Faser 21y
- 30
- faserbasiertes textiles Halbzeug,
- 31
- Gelege, Gewebe, Geflecht, Gewirk, Gestrick
- 40
- faserbasiertes textiles Halbzeug
- A
- Ausgleichsbereich, Ausgleichszone
- K
- Körper, Kugel