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WO2011070116A1 - Textiles halbzeug und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Textiles halbzeug und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

Info

Publication number
WO2011070116A1
WO2011070116A1 PCT/EP2010/069289 EP2010069289W WO2011070116A1 WO 2011070116 A1 WO2011070116 A1 WO 2011070116A1 EP 2010069289 W EP2010069289 W EP 2010069289W WO 2011070116 A1 WO2011070116 A1 WO 2011070116A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
binder
textile
layers
semi
material layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/069289
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Volbers
Original Assignee
Saertex Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saertex Gmbh & Co. Kg filed Critical Saertex Gmbh & Co. Kg
Priority to EP10785456A priority Critical patent/EP2509784A1/de
Publication of WO2011070116A1 publication Critical patent/WO2011070116A1/de

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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B11/00—Making preforms
    • B29B11/14—Making preforms characterised by structure or composition
    • B29B11/16—Making preforms characterised by structure or composition comprising fillers or reinforcement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
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    • B32B5/26—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it also being fibrous or filamentary
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
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    • D04H3/08—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of yarns or like filamentary material of substantial length characterised by the method of strengthening or consolidating
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
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    • D04H5/00—Non woven fabrics formed of mixtures of relatively short fibres and yarns or like filamentary material of substantial length
    • D04H5/04—Non woven fabrics formed of mixtures of relatively short fibres and yarns or like filamentary material of substantial length strengthened or consolidated by applying or incorporating chemical or thermo-activatable bonding agents in solid or liquid form

Definitions

  • the present invention relates to a textile semifinished product for producing a
  • Preform for a fiber composite component and a preform. Furthermore, the invention relates to a method for producing a preform for a fiber composite component.
  • preforms made of binder-provided fiber layers are used, which can already be provisionally shaped, and later in the context of processes such as RTM (resin transfer molding) method, RIM (resin injection molding) method or other vacuum and / or pressure assisted injection methods in a mold
  • thermoplastic material is preferably present as a fiber in the mixed nonwoven. It can also be in powder or granular form.
  • the thermoplastic material used as the binder may be a polyolefin, in particular polypropylene, especially maleic anhydride modified polypropylene.
  • polypropylene especially maleic anhydride modified polypropylene.
  • Other options are polyester, copolyester, polycarbonate or
  • the object of the present invention is to further develop semi-finished textile products for the production of preforms with regard to their handling properties.
  • a semifinished textile product for producing a preform for a fiber composite component, which has two or more fiber reinforcement layers, wherein between at least two fiber reinforcement layers binder is arranged and the fiber reinforcement layers are connected by locally melted binder, wherein the proportion of binder at 15 Weight% or less.
  • the semifinished textile product can have a film-like material layer on one or both outer surfaces. Due to the film-like material layer, adhesion of the preform produced from the semi-finished textile product to the
  • the film-like material layer can also simplify the handling of the textile semifinished product, in particular its transport.
  • the object is likewise achieved by a semifinished textile product for producing a preform for a fiber composite component, which has a fiber reinforcement layer and a film-like material layer, wherein binder is arranged between the fiber reinforcement layer and the film-like material layer and they are joined together by locally melted binder, wherein the proportion at
  • Binder at 15 wt .-% or less.
  • the fiber reinforcement layers may be single, scrim layers, scrims, fabrics, knits, nonwovens, mats or braids, or combinations thereof.
  • the layers forming a context are also called Ply and in particular form unidirectional, bidirectional, biaxial or multi-axial clutches.
  • More complex layers may also be constructed of layers of unidirectional, bidirectional, biaxial and / or multiaxial layers, woven fabrics, nonwovens, mats, braids or combinations thereof.
  • local melting is to be understood to mean melting at the macroscopic level, with local reference being made to the total area of the fiber reinforcement layers or the sheet-like material layer. It has surprisingly been found that the handling of textile semifinished products for the production of preforms can be increased by locally connecting the fiber reinforcement layers, but can be done with a much lower binder content than from the prior art for semi-finished products for the production of fiber-reinforced plastic parts in the
  • Compression molding is known.
  • the local connection points via fused binder hold the individual fiber reinforcement layers or film-like material layers together, without impairing the drapability of the textile semifinished product.
  • the fused binder can be tantamount to sintered binder as well as completely remelted or sintered binder. All these states are summarized under the name melted binder.
  • the semi-finished textile stabilized via local joints can not only be draped well, but also easily transported.
  • the binder is present at least partially as a powder, granules or as a film.
  • any film-like material layer that may be present additionally serves as trickle protection against binding agents which trickle out during further processing or handling steps.
  • the binder is a thermoplastic material.
  • Particularly preferred is an epoxy-based material.
  • the matrix resin is also an epoxy-based material.
  • one A number of epoxy low-melting materials are known which are particularly well suited for the local bonding of the fiber reinforcement layers by the action of heat.
  • a non-epoxy-based material may also be selected.
  • polyester-based materials or, more preferably, polyurethane-based materials as binders.
  • the binder can be applied homogeneously or locally concentrated over the surface of the semi-finished textile product.
  • the binder has different concentrations over the surface of the semi-finished textile product.
  • the distribution of the binder over the surface can be selected with regard to the preform to be produced from the textile semifinished product or the fiber composite component produced therefrom. So it is for example advantageous in places where stronger
  • Deformations are planned or stronger forces must be endured to provide more binder. Particularly preferred is when using functional
  • the fiber reinforcement layers comprise
  • Synthetic fibers glass fibers, carbon fibers, basalt fibers, aramid fibers and / or hybrid fibers or combinations thereof.
  • Aramid fibers are particularly preferred synthetic fibers.
  • Hybrid fibers are understood in particular to be fibers from combinations of the fiber materials mentioned. Due to their mechanical properties, these types of fibers are particularly well suited for use in fiber composite components. In addition, they can be particularly well connected by fused binder, even at low
  • the film-like material layer is non-sticky and / or removable and / or gas permeable.
  • Material layer are removed from the preform.
  • the film-like material layer is formed as a PTFE (polytetrafluoroethylene) layer, as a silicone layer or as a PTFE or silicone coated film-like material layer.
  • the coated sheet-like material layer may be, for example, coated paper, plastic or metal. It has been found that film-like material layers with silicone or with PTFE, a nationwide adhesion of the textile semifinished product in the further processing to the preform or the preform in the further processing to a
  • the object is achieved by a method for producing a textile
  • Semifinished product for producing a preform for a fiber composite component comprising the steps:
  • Fiber reinforcement layers into a stack wherein at least two layers of binder are incorporated at a level of 15% by weight or less;
  • Semi-finished products for the production of preforms can be increased by local bonding of the fiber reinforcement layers by means of local heating, but a binder content of up to 15 wt .-%, preferably up to 10 wt .-% is sufficient to the fiber reinforcement layers against shifting relative to each other sufficiently secure.
  • the semi-finished textile stabilized via local joints can not only be draped well, but also easily transported.
  • the fused binder can be tantamount to sintered binder as well as completely remelted or sintered binder. All these states are summarized under the name melted binder.
  • the heat input can be done for example via thermal radiation or in contact with a hot object. You can also go with it
  • the binder so far that it at least partially melts or sinters.
  • One or more heat sources can be used. Preference is given to working with two heat sources, one of which is arranged above and the other below the binder-provided layers.
  • the fiber reinforcement layers may be single, scrim layers, scrims, fabrics, knits, nonwovens, mats or braids, or combinations thereof.
  • the layers forming a context are also called Ply and in particular form unidirectional, bidirectional, biaxial or multi-axial clutches.
  • More complex layers may also be constructed of layers of unidirectional, bidirectional, biaxial and / or multiaxial layers, woven fabrics, nonwovens, mats, braids or combinations thereof.
  • layers of unidirectional, bidirectional, biaxial and / or multiaxial layers woven fabrics, nonwovens, mats, braids or combinations thereof.
  • Embodiments include the fiber reinforcement layers of synthetic fibers, glass fibers, carbon fibers, basalt fibers, aramid fibers and / or hybrid fibers or combinations thereof.
  • Aramid fibers are particularly preferred
  • Hybrid fibers are understood in particular to be fibers from combinations of the fiber materials mentioned.
  • a thermoplastic material is advantageously selected, the melting temperature of which
  • Melting temperature of the reinforcing fibers is located. Particular preference is given here to materials based on epoxide. Also, polyurethane or polyester based materials may be suitable. The binder may, for example, be sprinkled or sprayed on. One or two foil-like material layers can be used as
  • Carrier layers may be present as the outer layer of the stack. This increases the handling and transportability of the textile semifinished product.
  • the local heating is carried out by means of a heat-pressure device.
  • a heat-pressure device As a result, in particular in the case of stacks with a larger number of layers, it can be ensured by the action of pressure in addition to the heat that also binder is heated sufficiently on the layers removed from the heat source in order to establish a connection between the adjacent layers.
  • Temperature and pressure of the heat-pressure device may be selected depending on the melting temperatures of the binder and the reinforcing fibers. It can be worked with two, three, four or more heat-pressure devices simultaneously or in succession.
  • the stack is cut in an additional step, wherein the blank is oriented to the shape of the preform to be produced from the textile semifinished product or the resulting fiber composite component.
  • the cutting takes place following local heating when the layers of the stack are already bonded together. It has been found to be particularly advantageous, in particular when using heat-pressure devices, to carry out the steps of local heating and of cutting in parallel, since during the application of the one or more heat-pressure devices to the stack of them by the heat Printing facilities can be kept in the trimming position.
  • the layers are temporarily fixed by suction against each other.
  • the stack of layers and binder can be arranged in a mold to which a vacuum is applied, so that the stack is sucked to the mold wall. If a foil-like material layer is located on the side of the stack facing the mold wall, it is advantageously provided with openings or otherwise permeable to gas, so that the vacuum can act on the remaining layers of the stack. In the sucked position, the stack can be locally heated without risk of slipping to form the junctions between the layers, and if necessary, the stack can be cut.
  • Figure 1 is a schematic representation of a section through a first
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of a preform; and FIG. 4 shows a schematic sequence of an embodiment of the invention
  • FIG. 1 schematically shows a section through a first embodiment of a textile semifinished product 1.
  • the individual are
  • the fiber reinforcement layers may include not only glass or carbon fibers but also synthetic fibers such as aramid fibers, basalt fibers, aramid fibers, hybrid fibers such as aramid carbon fibers, and combinations thereof.
  • an epoxy resin is sprinkled in the present example as a binder 2, the melting point of which under the
  • the proportion of binder is below 15 wt .-% of the entire semi-finished textile product. 1
  • the binder powder 2 is locally fused in the designated area 12 and is thereby a connection with the adjacent gel layers 3 and 4 or 4 and 5 received, causing the Gelgelagen 3, 4, 5 are held together.
  • the textile semifinished product 1 can be handled easier than without local connections. In particular, it can be transported more easily and drape more easily in a mold when it is further processed into a preform. From the preforms can be
  • the example of a textile semifinished product 1 shown in FIG. 2 differs from that shown in FIG. 1 in that the binder 6 has been sprayed on and lies, as it were, as a film over the respectively underlying gel layer 4 or 5.
  • a sheet-like material layer 7 was additionally provided on the lower outside of the textile semi-finished product 1 in this example, which was also sprayed with binder here. It should be noted that on both
  • a film-like material layer may be provided, which also in several parts, for example as a film-like
  • Material layer composite can be configured. If required, a film-like material layer can also be arranged between fiber reinforcement layers.
  • the binder-like material layer 7 serves as sprinkling binder in the handling, in particular the transport of the textile semifinished product 1.
  • the film-like material layer 7 can prevent it from sticking in the respective molding tools.
  • the sheet-like material layer 7 can be detached from the preform.
  • a heat-pressure device embodied here as a heating die
  • the binder 6 has been heated in individual regions 12 over the surface of the resulting semi-finished textile product 1 to such an extent that it suffices
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a preform 8 which has been produced from a textile semifinished product 1, such as shown in FIG. 1 or 2, by draping the textile semifinished product into a slightly curved shape and heating it as far as possible was that the binder 9, where there was no connection point 10, 1 1 was present, connects to the adjacent gel layers.
  • the preform 8 is sufficiently dimensionally stable that it is transported and, for example, in the context of processes such as RTM processes, RIM processes or others

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Abstract

Um die Handhabbarkeit von textilem Halbzeug (1) zur Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbundbauteil zu verbessern, wird vorgeschlagen, zwischen Faserverstärkungsschichten (3, 4, 5) bzw. einer folienartigen Materialschicht (7) und einer Faserverstärkungsschicht (5) Bindemittel (6) mit einem Anteil von bis zu 15 Gew.- % vorzusehen und dieses lokal zu erwärmen, damit sich in entsprechenden Bereichen (12) lokale Verbindungsstellen ausbilden.

Description

Textiles Halbzeug und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein textiles Halbzeug zur Herstellung eines
Vorformlings für ein Faserverbundbauteil sowie einen Vorformling. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbundbauteil.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen werden vor allem zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Einerseits werden mit Harz vorimprägnierte Faserhalbzeuge (auch Composite oder Prepreg genannt) eingesetzt, die in Form gebracht und anschließend ausgehärtet werden. Andererseits werden Vorformlinge aus mit Bindemittel versehenen Faserschichten (auch Preform genannt) eingesetzt, die auch schon vorläufig in Form gebracht werden können, und später im Rahmen von Verfahren wie etwa RTM(resin transfer moulding)-Verfahren, RIM(resin injection moulding)-Verfahren oder anderen Vakuum- und/oder Druck-unterstützten Injektionsverfahren in einer Form in ein
Matrixharz eingebettet, das anschließend ausgehärtet wird.
Die Vorformlinge haben den Vorteil, nicht nur biegsam, sondern in gewissem Umfang auch scherbar zu sein, so dass sie sich auch in komplexere Formen einpassen lassen und gut umformbar sind. Das Bindemittel hat als wichtige Funktion, die Fasern des vorgeformten Formlings miteinander derart zu verbinden, dass der Vorfomling eine für die weitere Handhabung notwendige Formstabilität aufweist.
In Bezug auf mehrlagige Halbzeuge aus Mischvliesen mit kurzen zellulosischen
Verstärkungsfasern und thermoplastischem Binder für die Herstellung von
faserverstärkten Kunststoffteilen im Formpressverfahren ist aus der DE 10 2007 022 368 A1 bekannt, die Vliese punktuell miteinander zu verschweißen, um deren
Handhabbarkeit zu verbessern. Das thermoplastische Material liegt bevorzugt als Faser im Mischvlies vor. Es kann auch in Pulver- oder Granulatform vorliegen. Bei dem als Bindemittel dienenden thermoplastischen Material kann es sich um ein Polyolefin, insbesondere Polypropylen, speziell Maleinsäureanhydrid modifiziertes Polypropylen handeln. Weitere Möglichkeiten sind Polyester, Copolyester, Polycarbonat oder
Polylactid. Den zellulosischen Verstärkungsfasern können Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff, Aramid oder Basalt oder anderer Naturfaserkurzschnitt beigefügt werden. Der Anteil an Verstärkungsfasern liegt zwischen 20 und 80 Gew.-%. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, textile Halbzeuge für die Herstellung von Vorformlingen in Hinblick auf ihre Handhabbarkeit weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird durch ein textiles Halbzeug zur Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbundbauteil gelöst, das zwei oder mehr Faserverstärkungsschichten aufweist, wobei zwischen wenigstens zwei Faserverstärkungsschichten Bindemittel angeordnet ist und die Faserverstärkungsschichten durch lokal angeschmolzenes Bindemittel miteinander verbunden sind, bei dem der Anteil an Bindemittel bei 15 Gew.- % oder weniger liegt.
Vorteilhafterweise kann das textile Halbzeug auf einer oder beiden Außenflächen eine folienartige Materialschicht aufweisen. Durch die folienartige Materialschicht kann ein Anhaften des aus dem textilen Halbzeug hergestellten Vorformlings an den
Formwerkzeugteilen, in denen der Vorformling zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet wird, vermieden werden. Die folienartige Materialschicht kann außerdem die Handhabung des textilen Halbzeugs, insbesondere dessen Transport vereinfachen.
Ebenso wird die Aufgabe durch ein textiles Halbzeug zur Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbundbauteil gelöst, das eine Faserverstärkungsschicht sowie eine folienartige Materialschicht aufweist, wobei zwischen der Faserverstärkungsschicht und der folienartige Materialschicht Bindemittel angeordnet ist und sie durch lokal angeschmolzenes Bindemittel miteinander verbunden sind, wobei der Anteil an
Bindemittel bei 15 Gew.-% oder weniger liegt.
Bei den Faserverstärkungsschichten kann es sich um einzelne, ein Gelege bildende Lagen, Gelege, Gewebe, Gestricke, Vliese, Matten oder Geflechte oder Kombinationen davon handeln. Die ein Gelege bildenden Lagen werden auch Ply genannt und bilden insbesondere unidirektionale, bidirektionale, biaxiale oder multiaxiale Gelege.
Komplexere Gelege können auch aus Schichtungen aus Lagen, aus unidirektionalen, bidirektionalen, biaxialen und/oder multiaxialen Gelegen, Geweben Gestricken, Vliesen, Matten, Geflechten oder deren Kombinationen aufgebaut sein. Im Folgenden sei unter lokalem Anschmelzen ein Anschmelzen auf makroskopischer Ebene verstanden, wobei lokal auf die Gesamtfläche der Faserverstärkungsschichten bzw. der folienartigen Materialschicht bezogen ist. Es hat sich erstaunlicherweise herausgestellt, dass die Handhabbarkeit von textilen Halbzeugen für die Herstellung von Vorformlingen sich durch lokales Verbinden der Faserverstärkungsschichten erhöhen lässt, dabei aber mit einem viel geringeren Bindemittelanteil ausgekommen werden kann als aus dem Stand der Technik für Halbzeuge für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen im
Formpressverfahren bekannt ist. Ein Bindemittelanteil von bis zu 15 Gew.-%, bevorzugt bis zu 10 Gew.-% ist ausreichend.
Die lokalen Verbindungsstellen über angeschmolzenes Bindemittel halten die einzelnen Faserverstärkungsschichten bzw. folienartigen Materialschichten zusammen, ohne die Drapierfähigkeit des textilen Halbzeuges zu beeinträchtigen. Bei dem angeschmolzenen Bindemittel kann es sich gleichbedeutend um angesintertes Bindemittel sowie ganz durchgeschmolzenes oder gesintertes Bindemittel handeln. Alle diese Zustände werden unter der Bezeichnung angeschmolzenes Bindemittel zusammengefasst. Das über lokale Verbindungsstellen stabilisierte textile Halbzeug lässt sich nicht nur gut drapieren, sondern auch einfach transportieren.
Vorteilhafterweise liegt das Bindemittel zumindest teilweise als Pulver, Granulat oder als Film vor. Dies hat den Vorteil, dass das Bindemittel in herkömmlicher Weise aufgestreut oder aufgesprüht werden kann, so dass übliche Bearbeitungsprozesse für die
Herstellung von textilen Halbzeugen als Vorstufe zu Vorformlingen weiter eingesetzt werden können. Liegt das Bindemittel in Pulver- oder Granulatform vor, dient eine eventuell vorhandene folienartige Materialschicht zusätzlich als Rieselschutz gegen bei weiteren Bearbeitungs- bzw. Handhabungsschritten herausrieselndes Bindemittel. Bevorzugt ist das Bindemittel ein thermoplastisches Material. Besonders bevorzugt handelt es sich um ein Material auf Epoxidbasis. Dies hat einerseits den Vorteil, dass das Bindemittel mit dem Matrixharz, das bei der späteren Weiterverarbeitung des Vorformlings aus dem vorliegenden textilen Halbzeug zu einem Faserverbundbauteil eingesetzt wird, in den meisten Fällen kompatibel ist. In der Regel handelt es sich bei dem Matrixharz ebenfalls um ein Material auf Epoxidbasis. Andererseits sind eine Anzahl niedrigschmelzender Materialien auf Epoxidharzbasis bekannt, die sich besonderes gut für das lokale Verbinden der Faserverstärkungsschichten durch Wärmeeinwirkung eignen. Es sei darauf hingewiesen, dass je nach Matrixharz, das für die Weiterverarbeitung zum Faserverbundbauteil verwendet wird, auch ein Material, das nicht auf Epoxidbasis ist, gewählt werden kann. Beispielsweise können auch Materialien auf Polyesterbasis oder besonders bevorzugt auf Polyurethanbasis als Bindemittel geeignet sein.
Vorzugsweise sind dem Bindemittel funktionale Zusatzstoffe beigefügt. Dabei kann es sich u.a. um Zusatzstoffe zur Erhöhung der Zähigkeit, zur Änderung der tribologischen Eigenschaften oder Zusatzstoffe, die als Flammschutz dienen, handeln.
Das Bindemittel kann über die Fläche des textilen Halbzeugs homogen oder lokal konzentriert aufgebracht werden. Vorteilhafterweise weist das Bindemittel über die Fläche des textilen Halbzeugs unterschiedliche Konzentrationen auf. Die Verteilung des Bindemittels über die Fläche kann dabei in Hinblick auf den aus dem textilen Halbzeug herzustellenden Vorformling bzw. das daraus hergestellte Faserverbundbauteil gewählt werden. So ist es beispielsweise von Vorteil, an Stellen, an denen stärkere
Verformungen geplant sind oder stärkere Kräfte ausgehalten werden müssen, mehr Bindemittel vorzusehen. Besonders bevorzugt ist bei der Verwendung funktionaler
Zusatzstoffe deren Konzentration über die Fläche des textilen Halbzeugs ebenfalls die Anforderung an die Weiterverarbeitung zum Vorformling bzw. Faserverbundbauteil und deren zu erzielende Eigenschaften angepasst. In bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Faserverstärkungsschichten
Synthesefasern, Glasfasern, Kohlefasern, Basaltfasern, Aramidfasern und/oder Hybridfasern oder deren Kombinationen miteinander. Aramidfasern sind dabei besonders bevorzugte Synthesefasern. Unter Hybridfasern werden insbesondere Fasern aus Kombinationen der genannten Fasermaterialien verstanden. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften sind diese Faserarten besonders gut für den Einsatz in Faserverbundbauteilen geeignet. Außerdem lassen sie sich besonders gut durch angeschmolzenes Bindemittel miteinander verbinden, auch bei geringen
Bindemittelanteilen von bis zu 15 Gew.-%, bevorzugt bis zu 10 Gew.-%. Bevorzugt ist die folienartige Materialschicht antihaftend und/oder wiederentfernbar und/oder gasdurchlässig. Dadurch kann das textile Halbzeug besonders gut mit vakuumunterstützten und/oder wärmeunterstützten Verfahren zu einem Vorformling weiterverarbeitet werden, wobei die Gefahr eines Anhaftens an verwendeten
Formwerkzeugen minimiert werden kann. Bei Bedarf kann ggf. die folienartige
Materialschicht vom Vorformling entfernt werden.
Vorzugsweise ist die folienartige Materialschicht als PTFE(Polytetrafluorethylen)- Schicht, als Silikon-Schicht oder als mit PTFE oder Silikon beschichtete folienartige Materialschicht ausgebildet. Bei der beschichteten folienartigen Materialschicht kann es sich beispielsweise um beschichtetes Papier, Kunststoff oder Metall handeln. Es hat sich herausgestellt, dass folienartige Materialschichten mit Silikon oder mit PTFE ein flächendeckendes Anhaften des textilen Halbzeuges bei der Weiterverarbeitung zum Vorformling oder des Vorformlings bei der Weiterverarbeitung zu einem
Faserverbundbauteil an den Werkzeugen auch bei erhöhten Temperaturen verhindern. Außerdem lassen sich diese folienartige Materialschichten nach der Verarbeitung leicht wieder entfernen.
Ferner wird die Aufgabe durch einen Vorformling aus einem in eine vorbestimmte Form gebrachtes textiles Halbzeug wie zuvor beschrieben gelöst.
Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines textilen
Halbzeuges zur Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbundbauteil gelöst, mit den Schritten:
- Übereinanderanordnen von wenigstens einer folienartigen Materialschicht und einer oder mehreren Faserverstärkungsschichten oder von zwei oder mehr
Faserverstärkungsschichten zu einem Stapel, wobei zwischen mindestens zwei Schichten Bindemittel mit einem Anteil von 15 Gew.-% oder weniger eingebracht wird;
- lokales Erwärmen des Stapels. Es sich erstaunlicherweise herausgestellt, dass die Handhabbarkeit von textilen
Halbzeugen für die Herstellung von Vorformlingen sich durch lokales Verbinden der Faserverstärkungsschichten mittels lokalem Erwärmen erhöhen lässt, dabei aber ein Bindemittelanteil von bis zu 15 Gew.-%, bevorzugt bis zu 10 Gew.-% ausreichend ist, um die Faserverstärkungsschichten gegen ein Verschieben relativ zueinander hinreichend sichern zu können. Das über lokale Verbindungsstellen stabilisierte textile Halbzeug lässt sich nicht nur gut drapieren, sondern auch einfach transportieren.
Bei dem angeschmolzenen Bindemittel kann es sich gleichbedeutend um angesintertes Bindemittel sowie ganz durchgeschmolzenes oder gesintertes Bindemittel handeln. Alle diese Zustände werden unter der Bezeichnung angeschmolzenes Bindemittel zusammengefasst. Der Wärmeeintrag kann beispielsweise über Wärmestrahlung oder in Kontaktbringen mit einem heißen Gegenstand erfolgen. Man kann auch mit
Strahlungsquellen für elektromagnetische Strahlung arbeiten, die Strahlungsanteile außerhalb des Infrarotbereichs aufweisen. Vorteilhaft sind beispielsweise Laser.
Alternativ kann z.B. auch über Induktion oder Ultraschall das Bindemittel soweit aufgeheizt werden, dass es zumindest teilweise schmilzt bzw. sintert. Es können eine oder mehrere Wärmequellen eingesetzt werden. Bevorzugt wird mit zwei Wärmequellen gearbeitet, von denen eine oberhalb und die andere unterhalb der mit Bindemittel versehenen Schichten angeordnet wird.
Bei den Faserverstärkungsschichten kann es sich um einzelne, ein Gelege bildende Lagen, Gelege, Gewebe, Gestricke, Vliese, Matten oder Geflechte oder Kombinationen davon handeln. Die ein Gelege bildenden Lagen werden auch Ply genannt und bilden insbesondere unidirektionale, bidirektionale, biaxiale oder multiaxiale Gelege.
Komplexere Gelege können auch aus Schichtungen aus Lagen, aus unidirektionalen, bidirektionalen, biaxialen und/oder multiaxialen Gelegen, Geweben Gestricken, Vliesen, Matten, Geflechten oder deren Kombinationen aufgebaut sein. In bevorzugten
Ausführungsformen umfassen die Faserverstärkungsschichten aus Synthesefasern, Glasfasern, Kohlefasern, Basaltfasern, Aramidfasern und/oder Hybridfasern oder deren Kombinationen miteinander. Aramidfasern sind dabei besonders bevorzugte
Synthesefasern. Unter Hybridfasern werden insbesondere Fasern aus Kombinationen der genannten Fasermaterialien verstanden. Als Bindemittel wird vorteilhafterweise ein thermoplastisches Material gewählt, dessen Schmelztemperatur unter der
Schmelztemperatur der Verstärkungsfasern liegt. Besonders bevorzugt sind dabei Materialien auf Epoxidbasis. Auch Materialien auf Polyurethan- oder Polyesterbasis können geeignet sein. Das Bindemittel kann beispielsweise aufgestreut oder aufgesprüht werden. Eine oder zwei folienartige Materialschichten können als
Trägerschichten als äußere Schicht des Stapels vorhanden sein. Dies erhöht die Handhabbarkeit und Transportierbarkeit des textilen Halbzeuges. Bevorzugt wird das lokale Erwärmen mit Hilfe einer Wärme-Druck-Einrichtung durchgeführt. Dadurch kann insbesondere bei Stapeln mit einer größeren Anzahl an Schichten durch die Einwirkung von Druck zusätzlich zur Wärme gewährleistet werden, dass auch Bindemittel an den von der Wärmequelle entfernten Schichten hinreichend erwärmt wird, um eine Verbindung zwischen den angrenzenden Schichten herzustellen. Temperatur und Druck der Wärme-Druck-Einrichtung können in Abhängigkeit von den Schmelztemperaturen des Bindemittels und der Verstärkungsfasern gewählt werden. Es kann mit zwei, drei, vier oder mehr Wärme-Druck-Einrichtungen gleichzeitig oder hintereinander gearbeitet werden.
Vorteilhafterweise wird in einem zusätzlichen Schritt der Stapel zugeschnitten, wobei man sich bei dem Zuschnitt an der Form des aus dem textilen Halbzeug herzustellenden Vorformlings bzw. des daraus entstehenden Faserverbundbauteil orientiert. Bevorzugt findet das Zuschneiden im Anschluss an das lokale Erwärmen statt, wenn die Schichten des Stapels bereits miteinander verbunden sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, insbesondere bei der Verwendung von Wärme-Druck-Einrichtungen, die Schritte des lokalen Erwärmens und des Zuschneidens parallel durchzuführen, da während des Applizierens der einen oder mehreren Wärme-Druck-Einrichtungen auf den Stapel dieser durch die Wärme-Druck-Einrichtungen in der Zuschneidposition gehalten werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Schichten durch Ansaugen temporär gegeneinander fixiert. Dazu kann der Stapel aus Schichten und Bindemittel in einer Form angeordnet werden, an die ein Vakuum angelegt wird, damit der Stapel an die Formwandung gesaugt wird. Sollte sich eine folienartige Materialschicht an der der Formwandung zugewandten Seite des Stapels befinden, ist diese vorteilhafter mit Öffnungen versehen oder auf andere Weise gasdurchlässig ausgebildet, damit das Vakuum auf die übrigen Schichten des Stapels wirken kann. In der angesaugten Position kann der Stapel ohne Gefahr des Verrutschens lokal erwärmt werden, um die Verbindungsstellen zwischen den Schichten zu bilden, und kann ggf. der Stapel zugeschnitten werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung zeigt dabei in Figur 1 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine erste
Ausführungsform eines textilen Halbzeuges; Figur 2 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine zweite
Ausführungsform eines textilen Halbzeuges;
Figur 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Vorformlings; und Figur 4 einen schematischen Ablauf einer Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens.
In Figur 1 wird schematisch ein Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines textilen Halbzeugs 1 dargestellt. In dem vorliegenden Beispiel sind die einzelnen
Faserverstärkungsschichten als Gelegelagen 3, 4, 5 aus Glas- oder Kohlefaser ausgebildet, die zusammen ein multiaxiales Gelege bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass auch zwei oder vier, fünf, sechs oder mehr Faserverstärkungsschichten vorgesehen sein können, die nicht nur als einzelne, ein Gelege bildenden Lagen, sondern auch als Gelege, Gewebe, Gestricke, Vliese, Matten oder Geflechte oder als Kombinationen davon ausgebildet sein können. Die Faserverstärkungsschichten können nicht nur Glas- oder Kohlefasern, sondern auch Synthesefasern wie etwa Aramidfasern, aus Basaltfasern, Aramidfasern, Hybridfasern wie beispielsweise Aramid-Kohlefasern und deren Kombinationen aufweisen. Zwischen den Gelegelagen 3 und 4 bzw. 4 und 5 ist im vorliegenden Beispiel als Bindemittel 2 ein Epoxidharz aufgestreut, dessen Schmelzpunkt unter dem
Schmelzpunkt der Gelegefasern liegt. Außerdem ist das Epoxidharz auf das Matrixharz abgestimmt, mit dem später der aus dem textilen Halbzeug 1 hergestellte Vorformling zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet wird. Dem Epoxidharz können
Flammschutzmittel oder Zusatzstoffe, die die Zähigkeit oder die Tribologie beeinflussen, beigefügt sein. Der Anteil an Bindemittel liegt unter 15 Gew.-% am gesamten textilen Halbzeug 1 . Durch lokale Wärmeeinwirkung über - im vorliegenden Beispiel - einer als Heizstempel ausgebildeten Wärme-Druckeinrichtung ist das Bindemittelpulver 2 im mit 12 bezeichneten Bereich lokal angeschmolzen und ist dadurch eine Verbindung mit den angrenzenden Gelegelagen 3 und 4 bzw. 4 und 5 eingegangen, wodurch die Gelegelagen 3, 4, 5 zusammengehalten werden. Das textile Halbzeug 1 lässt sich dadurch einfacher handhaben als ohne lokale Verbindungen. Insbesondere lässt es sich einfacher transportieren und problemloser in einer Form drapieren, wenn es zu einem Vorformling weiterverarbeitet wird. Aus den Vorformlingen lassen sich
Faserverbundbauteile herstellen, die insbesondere als sogenannte Crashelemente, wie beispielsweise Stoßfänger, geeignet sind.
Das in Figur 2 dargestellte Beispiel eines textilen Halbzeuges 1 unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten dahingehend, dass das Bindemittel 6 aufgesprüht wurde und quasi als Film über der jeweils darunterliegenden Gelegelage 4 bzw. 5 liegt.
Außerdem wurde zusätzliche auf der in diesem Beispiel unteren Außenseite des textilen Halbzeugs 1 eine folienartige Materialschicht 7 vorgesehen, die hier ebenfalls mit Bindemittel besprüht wurde. Es sei darauf hingewiesen, dass auch auf beiden
Außenseiten oder nur auf der oberen Außenseite eine folienartige Materialschicht vorgesehen sein kann, die auch mehrteilig, beispielsweise als folienartiger
Materialschichtenverbund ausgestaltet sein kann. Bei Bedarf kann auch zwischen Faserverstärkungsschichten eine folienartige Materialschicht angeordnet sein.
Die folienartige Materialschicht 7 dient als Transportschicht und ist im vorliegenden Beispiel als mit Silikon beschichtetes Papier ausgeführt. Insbesondere bei
aufgestreutem Bindemittel dient die folienartige Materialschicht 7 als Rieselschutz bei der Handhabung, insbesondere dem Transport des textilen Halbzeugs 1 . Außerdem kann die folienartige Materialschicht 7 bei der weiteren Verarbeitung des textilen Halbzeugs zu einem Vorformling und schließlich zu einem Faserverbundbauteil ein Anhaften in den jeweiligen Formwerkzeugen verhindern. Nach der Umformung kann die folienartige Materialschicht 7 vom Vorformling abgelöst werden. Auch in dem in Figur 2 dargestellten Beispiel wurde mit Hilfe einer hier als Heizstempel ausgebildeten Wärme- Druck-Einrichtung das Bindemittel 6 in einzelnen Bereichen 12 über die Fläche des resultierenden textilen Halbzeugs 1 soweit erwärmt, dass es hinreichend
angeschmolzen bzw. angesintert wurde, so dass es sich mit den angrenzenden Gelegelagen 3, 4, 5 bzw. der folienartige Materialschicht 7 lokal verbunden hat.
In Figur 3 ist als Prinzipskizze ein Vorformling 8 dargestellt, der aus einem textilen Halbzeug 1 wie etwa in Figur 1 oder 2 dargestellt hergestellt wurde, indem das textile Halbzeug in eine leicht gekrümmte Form drapiert wurde und insgesamt soweit erwärmt wurde, dass auch das Bindemittel 9 dort, wo noch keine Verbindungsstelle 10, 1 1 vorhanden war, sich mit den angrenzenden Gelegelagen verbindet. Nach dem Abkühlen ist der Vorformling 8 soweit formstabil, dass er transportiert und beispielsweise im Rahmen von Verfahren wie etwa RTM-Verfahren, RIM-Verfahren oder anderen
Vakuum- und/oder Druck-unterstützten Injektionsverfahren zu einem
Faserverbundbauteil weiterverarbeitet werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass auch die Möglichkeit besteht, unmittelbar die hier beschriebenen Halbzeuge in Werkzeuge für Vakuum- und/oder Druck-unterstützte Injektionsverfahren zu drapieren und zu Faserverbundbauteilen weiterzuverarbeiten.
In Figur 3 ist durch die unterschiedlich dichte Punktierung die über die Fläche des textilen Halbzeugs und damit auch über die Fläche des Vorformlings 8 variierende Konzentration des Bindemittels schematisch angedeutet. Dabei schwankt die
Konzentration derart, dass auch in Gebieten höherer Konzentration ein Gewichtsanteil von 15 Gew.-% nicht wesentlich überstiegen wird. Beispielsweise wird bei einem Gelegegewicht von etwa 100 g/m2 Bindemittel zwischen ca. 5 und ca. 15 g/m2 aufgebracht. Bei hohen Gelegegewichten kann der Gewichtsanteil auch unter 5 Gew.-% sinken. Beispielsweise kann bei einem Gelegegewicht von etwa 1200 g/m2 Bindemittel mit ca. 15 bis ca. 40 g/m2 aufgebracht werden.
In Figur 3 sind außerdem die Verbindungsstellen 10, 1 1 des textilen Halbzeugs, aus dem der Vorformling 8 hergestellt wurde, dargestellt. Die Verbindungsstellen können eine beliebige Form haben, etwa eher punktförmig (Verbindungsstellen 10) oder eher linear (Verbindungsstellen 1 1 ) oder auch anders, beispielsweise als kontinuierliches Band, wobei der Flächenanteil der Verbindungsstellen an der Gesamtfläche variabel sein kann. Die Anordnung der Verbindungsstellen kann regelmäßig oder unregelmäßig, symmetrisch oder asymmetrisch sein. Die Gestalt und Anordnung der
Verbindungsstellen wie auch die Konzentrationsverteilung des Bindemittels werden vorteilhafterweise mit Blick auf das herzustellende Faserverbundbauteil und seine jeweilige Gestalt gewählt. So hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Konzentration des Bindemittels und falls vorhanden von funktionalen Zusatzstoffen im Bindemittel unter Berücksichtigung der zu erwartenden Belastungen des textilen Halbzeugs und daraus hergestellten Vorformling aufgrund der Handhabung und Formgebungsprozesse zu variieren. Beim Faserverbundbauteil können die Belastungen Krafteinleitungen durch Druck-, Zug, Scher- oder Torsionskräfte oder Kombinationen davon sein. Beispielsweise bei der Verwendung einer Wärme-Druckeinrichtung zum Erzeugen der
Verbindungsstellen, kann diese so ausgebildet werden, dass die gewünschte Gestalt und Anordnung der Verbindungsstellen erhalten wird.
In weiteren Varianten, bei denen das textile Halbzeug bei der Weiterverarbeitung zugeschnitten wird, können die Verbindungsstellen vorteilhafterweise insbesondere in den Flächenbereichen angeordnet sein, die beim Zuschneiden entfernt werden.
In Figur 4 ist schematisch eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines textilen Halbzeugs wie zuvor beschrieben dargestellt. In einem ersten Schritt 401 bildet man einen Stapel aus Faserverstärkungsschichten und im vorliegenden Beispiel einer Folienschicht, wobei man parallel dazu zwischen mindestens zwei Schichten Bindemittel einbringt (Schritt 403). Dabei beträgt der Anteil von Bindemittel an dem Stapel nicht mehr als 15 Gew.-%. Fakultativ wird werden die Schichten des Stapels in ihrer relativen Lagen zueinander durch Ansaugen fixiert (Schritt 405). Daraufhin wird der Stapel lokal erwärmt (Schritt 407), um Verbindungsstellen zu schaffen, die die Schichten auch nach dem Ansaugen im wesentlichen in dieser relativen Lage zueinander halten. Bei der Verwendung von Wärme-Druck-Einrichtungen zum lokalen Erwärmen kann auf das Ansaugen verzichtet werden. Durch eine oder mehrere Wärme-Druck-Einrichtungen kann soviel Druck auf den Stapel ausgeübt werden, dass die Schichten ebenfalls in ihrer relativen Lage hinreichend fixiert werden. Bevorzugt sind sowohl ober- als auch unterhalb des Stapels Wärmequellen, beispielsweise Wärme-Druck-Einrichtungen, vorgesehen, um damit die Wärmelast auf den Stapel regulieren zu können und z.B. bei dünnen Stapeln diese zu verringern oder bei dicken Stapeln zu erhöhen.
Vorteilhafterweise, werden die Schichten spannungsfrei und bei kontinuierlichen
Produktionsanlagen in Abstimmung mit dem Vorschub der jeweiligen Anlage fixiert. Während die Schichten in ihrer Lage fixiert sind, wird nötigenfalls das textile Halbzeug passend für den späteren Vorformling zugeschnitten (Schritt 409).
Das fertige textile Halbzeug zeichnet sich durch verbesserte Handhabbarkeit, insbesondere bessere Drapierbarkeit und Transportierbarkeit bei geringem
Bindemitteleinsatz aus. Bezugszeichen
I textiles Halbzeug
2 Bindemittel
3 Gelegelage
4 Gelegelage
5 Gelegelage
6 Bindemittel
7 folienartige Materialschicht
8 Vorformling
9 Bindemittel
10 Verbindungsstelle
I I Verbindungsstelle
12 Bereich
401 -409 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1 . Textiles Halbzeug zur Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbundbauteil, aufweisend zwei oder mehr Faserverstärkungsschichten, wobei zwischen wenigstens zwei Faserverstärkungsschichten Bindemittel angeordnet ist und die
Faserverstärkungsschichten durch lokal angeschmolzenes Bindemittel miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Bindemittel (2, 6, 9) bei 15 Gew.-% oder weniger liegt.
2. Textiles Halbzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es auf einer oder beiden Außenflächen eine folienartige Materialschicht (7) aufweist.
3. Textiles Halbzeug zur Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbundbauteil, aufweisend wenigstens eine Faserverstärkungsschicht sowie eine folienartige
Materialschicht, wobei zwischen der Faserverstärkungsschicht (3, 4, 5) und der folienartige Materialschicht (7) Bindemittel (2, 6, 9) angeordnet ist und sie durch lokal angeschmolzenes Bindemittel (10, 1 1 ) miteinander verbunden sind, wobei der Anteil an Bindemittel (2, 6, 9) bei 15 Gew.-% oder weniger liegt.
4. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (2, 6, 9) zumindest teilweise als Pulver, Granulat oder als Film vorliegt.
5. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (2, 6, 9) ein Material auf Epoxidbasis, Polyesterbasis oder auf
Polyurethanbasis ist.
6. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bindemittel (2, 6, 9) funktionale Zusatzstoffe beigefügt sind.
7. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (2, 6, 9) über die Fläche des textilen Halbzeugs (1 ) unterschiedliche Konzentrationen aufweist.
8. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkungsschichten (3, 4, 5) Synthesefasern, Glasfasern, Kohlefasern, Basaltfasern, Aramidfasern und/oder Hybridfasern oder deren Kombinationen miteinander umfassen.
9. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die folienartige Materialschicht antihaftend und/oder wiederentfernbar und/oder gasdurchlässig ist.
10. Textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die folienartige Materialschicht (7) als PTFE-Schicht, als Silikon-Schicht oder als mit PTFE oder Silikon beschichtete folienartige Materialschicht ausgebildet ist.
1 1 . Vorformling aus einem in eine vorbestimmte Form gebrachtes textiles Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Verfahren zur Herstellung eines textilen Halbzeuges zur Herstellung eines
Vorformlings für ein Faserverbundbauteil, mit den Schritten:
- Übereinanderanordnen von wenigstens einer folienartigen Materialschicht und einer oder mehreren Faserverstärkungsschichten oder von zwei oder mehr
Faserverstärkungsschichten zu einem Stapel, wobei zwischen mindestens zwei Schichten Bindemittel mit einem Anteil von 15 Gew.-% oder weniger eingebracht wird;
- lokales Erwärmen des Stapels.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Erwärmen mit Hilfe einer Wärme-Druck-Einrichtung durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13 mit dem zusätzlichen Schritt des
Zuschneidens des Stapels.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten durch Ansaugen temporär gegeneinander fixiert werden.
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