DE10156875B4

DE10156875B4 - Dreidimensionale Verstärkungsstrukur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe und Verfahren zu deren Herstellung aus einer ebenen Struktur

Info

Publication number: DE10156875B4
Application number: DE2001156875
Authority: DE
Inventors: Christian Dr.-Ing. Weimer; Andreas Dr.-Ing. Wöginger
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: WO2003041948A1; DE10156875A1

Abstract

Aus in mindestens einer Ebene ein- oder mehrlagig orientiert abgelegten Fasern bzw. Faserscharen durch Drapieren hergestellte dreidimensionale Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe gekennzeichnet durch vor dem Drapieren der Verstärkungsstruktur in deren Abwicklung in den Bereich von Drapierzonen eingebrachte punktuelle und/oder linienförmige Fixierungen zur Vorbestimmung der Relativlage bzw. Größe von Drapierfixpunkten und/oder Drapierflächen, sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der Verstärkungsstruktur.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe.

Zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV) werden in der Regel ebene oder dicken-dimensional verstärkte textile Verstärkungsstrukturen (Gewebe, Gelege usw.) eingesetzt. Die Herstellung von dreidimensional ausgebildeten Formen bzw. Geometrien findet durch eine mit einem Drapiervorgang verbundene Umformung statt. Häufig handelt es sich hierbei um einen gestapelten Aufbau aus mehreren Lagen einzelner textiler Flächengebilde. Sowohl bei trockenen Textilstrukturen als auch bei vorimprägnierten Systemen (z.B. thermoplastischen Plattenhalbzeugen oder Prepregs) kommt es zu Faltenbildungen des Halbzeuges bzw. des Lageraufbaus und zu Einschränkungen der umformbaren Geometrien (Breuer, UP. "Beitrag zur Umformtechnik gewebever stärkter Thermoplaste" VDI Fortschritt-Berichte Reihe 2, Nr. 433, Düsseldorf VDI-Verlag 1997).

Grund hierfür ist die textile Architektur, welche die Drapierfähigkeit determiniert.

Für endlosfaserverstärkte Kunststoffe werden zur Verstärkung verschiedenartige textile Flächengebilde eingesetzt. Hierbei handelt es sich in der Regel um ebene Gewebehalbzeuge und verschiedenartige Gelege. Die Drapierfähigkeit solcher Textilien wird durch verschiedene Verfahrens-Parameter (Gewebetyp, Bindungsart des Geleges) des Textilprozesses beeinflußt und gilt für die komplette abgebildete Fläche. In einzelnen Prozessen, wie beispielsweise der Wirktechnik (Herstellung von multiaxialen Gelegen) ist es nur eindimensional möglich, die die Drapierbarkeit beeinflussenden Parameter (z.B. Anzahl und Art der Bindenähte) während der Flächenherstellung einzustellen und damit der Fläche lokal unterschiedliche Drapierbarkeiten zu verleihen. Bei Geweben ist die Drapierbarkeit durch die Wahl des Gewebetypes vorgegeben.

Durch die Charakteristik und Eigenschaften der textilen Flächengebilde werden die folgenden Verarbeitungsprozesse und die mechanischen Eigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffes bestimmt. Die Abbindung der Verstärkungsfasern kann über die Kreuzpunkte des Gewebes bzw. der Maschenform in Gelegen erfolgen. Ebenso sind klebetechnische Möglichkeiten denkbar. In der gestapelten fasrigen Verstärkungsstruktur werden Gleit- bzw. Verformungsvorgaben in der Regel über die gesamte textile Fläche vorgegeben, die den weiteren Verarbeitungsprozess zum Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff beeinflussen.

Eine net-shape Fertigung von 3-D-geformten Bauteilen ist somit nur unter Berücksichtigung bzw. Kenntnis der genauen Drapiereigenschaften des Halbzeuges möglich. Die verschnittoptimierte Herstellung von 2-D-Einzelteilen für 3-D-Formkörper ist somit nur bedingt möglich. Hochdrapierfähige Halbzeuge wie beispielsweise Gewirke mit Trikot-Bindung erzielen die Drapierbarkeit mittels der eingesetzten Fadenmenge bzw. Fadenreserve in der Maschenstruktur die das Verstärkungsgelege bindet. Dieser maschenbildende Vorgang des Wirkens zur Herstellung von Multi-Axial-Gelegen findet nur in der Achse senkrecht zur Wirkeinheit statt ( DE 196 24 912 A1 und DE 197 26 831 A1 und Hörsting K. + Huster M "Targetting cost reduction by FEA-designed reinforcement textiles"; Proceedings "ECCM-8", Neapel/Juni 1998, S. 635–643). Der zusätzlich eingebrachte Faden wirkt in der Regel als störendes Element in der Faser-Kunststoff-Verbundstruktur. Dies zeigt sich beispielsweise in der Absenkung der in-plane Eigenschaften oder aber in erzielbaren Oberflächenqualitäten. Bei Geweben erfolgt die Drapierung über die Scherung der Fadenscharen in den Kreuzungspunkten.

Bei dem Verfahren zur Herstellung von Verstärkungsstruktur-Halbzeugen gemäß der DE 100 05 202 A1 werden Fasern oder Faserbündel mittels einer Legeeinheit auf ein Transportgatter aufgelegt und zu einer ersten Nähstation transportiert. Die Fasern oder Faserbündel weisen hierbei bestimmte Relativlagen zueinander auf, die durch in der Nähstation einzubringende Nähte gesichert werden. Im weiteren Verlauf dieses Verfahrens werden lokale Verstärkungen (Befestigungselemente) mit vorgegebener Kontur in vorbestimmter Position mittels Nähten auf dem so gebildeten Gelege befestigt. Damit haben die eingebrachten Nähte einzig und allein die Aufgabe, eine sichere Verbindung zwischen dem Gelege und den jeweiligen Befestigungselementen zu gewährleisten.

Der Einrichtung nach DE 694 10 967 T2 liegt im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein Netz aus parallel zueinander verlaufenden Glasfäden herzustellen, in welchem Fäden innerhalb eines komplexen Verbundteiles als Verstärkung dienen können, wobei die Bindung der Glasfäden so gestaltet sein soll, daß die Ermüdungsfestigkeit eines unter Verwendung eines solchen Netzes hergestellten Verbundteiles nicht beeinträchtigt wird.

Zur Erreichung der angestrebten Wirkung, nämlich die Biegsamkeit des Netzes trotz der in dieses eingebrachten Nähte zu erhalten, wird die bekannte Eigenschaft einer Kettenstichnaht insoweit ausgenützt, als hier die einzelnen Schlingen der Naht eine Art Scharnier bilden, wodurch eine Richtungsänderung der Fasern bzw. der Faserbündel ermöglicht wird, sodaß diese beispielsweise abgewinkelt verlaufen können, so wie dies in der Zeichnung dieser Druckschrift dargestellt ist.

Die EP 0 567 845 B1 offenbart ein verformbares multiaxiales Verstärkungsgebilde aus mindestens einer Trägerlage und dieser zugeordneten Verstärkungsfäden zur Armierung von Hochleistungsverbunden für die Herstellung von geometrisch komplizierten Formteilen mit kraftlinienorientierter Legung der Verstärkungsfäden. Die freie Auswählbarkeit der Dimensionierung und Legung der Verstärkungsfäden, wobei an Stellen großer Krafteinleitung oder großer Verschleißgefahr für das Formteil extrem starke Verstärkungsfäden und für Stellen schwächerer Belastung dementsprechend schwächere Verstärkungsfäden zum Einsatz kommen, die durch Sticken mit der Trägerlage verbunden sind, gewährleistet eine optimale Gestaltungsmöglichkeit der Verstärkungsgebilde. Dabei dienen die eingebrachten Nähte ebenfalls ausschließlich der Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Verstärkungsgebildes.

Die DE 197 16 666 A1 zeigt ein beanspruchungsgerechtes Verstär kungsgebilde, das eine möglichst dichte Anordnung der Verstärkungsfäden erlaubt, wobei der Kernbereich des Verstärkungsgebildes aus ersten und zweiten Bereichen besteht. In den jeweils ersten Bereichen werden die Verstärkungsfäden auf einer Grundlage fest fixiert, während diese in den jeweils zweiten Bereichen auf der Grundlage verschiebbar angeordnet sind und hierzu lose innerhalb eines Tunnels verlaufen, dessen Länge im wesentlichen dem zusätzlichen Fadenbedarf bei der späteren räumlichen Verformung des Verstärkungsgebildes entspricht.

Somit besteht das Ziel der in der DE 197 16 666 A1 offenbarten Lehre darin, in dem ebenen Verstärkungsgebilde eine die Bildung der räumlichen Verformung der Verstärkungsfäden ermöglichende Länge derselben zu bevorraten, um diese Vorratslänge während der räumlichen Verformung durch die jeweiligen Tunnel hindurch in den Bereich der räumlichen Verformung der Verstärkungsfäden zu verlagern und sicher zu stellen, daß die Verstärkungsfäden weder in den fixierten, noch in den verschiebbaren Bereichen verzerrt werden, sodaß die ursprüngliche Längsausrichtung der Verstärkungsfäden auch nach der räumlichen Verformung erhalten bleibt.

Sämtliche vorgenannten Veröffentlichungen betreffen somit in erster Linie die Herstellung der eigentlichen Verstärkungsstrukturen ohne hierbei detailliert auf deren Umformung von der überwiegend zweidimensionalen Form in eine dreidimensionale Form einzugehen.

Der Erfindung liegt insgesamt die Aufgabe zu Grunde, sowohl eine durch Drapieren hergestellte dreidimensionale Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe, als auch ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen.

Hierzu liegt der Erfindung zunächst die Aufgabe zu Grunde, eine Verstärkungsstruktur für gattungsgemäße Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe zu schaffen, die einerseits Drapierzonen definiert und andererseits den Drapierzonen benachbarte andere Bereiche der Faser-Verstärkungsstruktur unberührt läßt, um hierdurch die spezifischen Eigenschaften der Fasern optimal nutzen zu können.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wonach im Bereich von Drapierzonen punktuelle und/oder linienförmige Versteifungen zur Bestimmung von Drapier-Fixpunkten und/oder Drapierflächen, sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der Verstärkungsstruktur angeordnet sind.

Durch die genaue Definition von Drapierzonen, Drapierflächen bzw. Drapier-Fixpunkten, Gleit- oder Verformungszonen an den noch ebenen Zuschnitten der trockenen, paketartigen Verstärkungsstruktur werden einerseits maßhaltige, d.h. 2-D-Halbzeuge zur endkonturgenauen Herstellung von 3-D-Freiformflächen und andererseits ein gezieltes Umformen eines solchen Lagenaufbaus möglich.

Gemäß einem weitergehenden Vorschlag hierzu sind die Versteifungen von Nähten gebildet, die als Einzelstiche oder linienförmig oder flächenförmig gestaltet sein können (Anspruch 2).

Durch die frei in der Ebene programmierbaren Nähte werden gleichzeitig mehrere Aspekte zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff optimiert. Der Bauteilgeometrie entsprechende linien- oder flächenförmige Konturnähte ermöglichen ein positionsgenaues Ausschneiden der Verstärkungshalbzeuge und eine sehr vereinfachte Werkstückbestückung. Durch an die Faserorientierungen im Lagenaufbau angepaßte Variation sowohl der Anzahl der Nähte, als auch der Nährichtung können die in-plane Fasereigenschaften optimal genutzt werden. Für umformende Vorgänge ist durch die beschriebene Erzeugung von Gleitebenen usw. eine Reduzierung der Faltenbildung möglich, was sich auf die Qualität und die Eigenschaften des Bauteils aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (harzreiche Zonen, Faserondulationen, Faserverschiebungen) auswirkt. Ferner können die für die Imprägnierung entscheidenden Fließwege zwischen einzelnen Faserbünden durch die Einstellung der Faser-Packungsdichte verbessert werden.

In der Ebene frei programmierbare Nähköpfe erlauben das exakte Einbringen von Fixpunkten, Fixgeraden oder Fixflächen, die bei einer Umformung Teilbereiche der Verstärkungsstruktur unbeeinflußt lassen und andere als Drapierzonen freigeben. Idealerweise wird das Drapiermuster direkt in die abgelegten Faser-Scharen ohne weiteren textilen Prozess schritt eingebracht. Aufgrund der nur minimalen Störung der ebenen Fasern, d.h. es sind keine Webmuster oder zusätzlich eingebrachte Wirkfäden vorhanden, kann die Ausnutzung der Verstärkungsfaser-Eigenschaften weiter gesteigert werden. An nicht abgebundenen Zonen der Faserscharen ist somit eine ideale Faser-Matrix-Kombination möglich. Die Fixierung der Fasern während der Imprägnierung kann über eine minimale Anzahl eingebrachter Nähte erfolgen. Durch Nähte die die gesamte Verstärkungsstruktur durchdringen, wird ein Zwischenlagen-Verschub vermieden. Unerwünschte Faltenbildungen treten durch die Charakteristik der flächig eindimensionalen Halbzeuge nicht auf, oder können gezielt auf bestimmte Bereiche beschränkt werden.

Für bestimmte Anwendungsfälle ist es entsprechend Anspruch 3 vorteilhaft, wenn die Versteifungen von ein- oder mehrlagigen Verstärkungsfaser-Paketen aus Geweben, Gelegen, Gestricken, Gewirken oder sonstigen Flächengebilden und/oder vorgefertigten textilen Verstärkungsgebilden, beispielsweise Preforms bestehen.

Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden weiteren Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Verstärkungsstruktur entsprechend Anspruch 1 zu schaffen, werden gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 4 vor der Drapierung der Verstärkungsstruktur in deren Abwicklung im Bereich von Drapierzonen punktuelle und/oder linienförmige Versteifungen zur Bildung von Drapier-Fixpunkten und/oder Drapierflächen, sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der Verstärkungsstruktur eingebracht.

Dabei können entsprechend Anspruch 5 die Versteifungen durch frei programmierbare Nähte gebildet werden, deren Elastizität durch Variation des zur Verwendung kommenden Fadenmaterials und/oder durch Veränderung der Nähparameter wie beispielsweise Stichlänge, Fadenspannung verändert werden kann.

Sofern ein mehrlagiges Halbzeugpaket im Rahmen einer eindimensionalen Umformung verformt werden soll, ist es entsprechend Anspruch 6 zweckmäßig, die Nähparameter eines jeweils unteren Lagenpaketes gegenüber den Nähparametern eines demgegenüber oberen Lagepaketes derart unterschiedlich zu gestalten, daß die in das stärker zu dehnende Lagepaket eingebrachte Fadenlänge größer als die in das weniger zu dehnende Lagepaket eingebrachte Fadenlänge ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles.
Es zeigen:
1 Eine 3-D-Freiformfläche für eine Kofferhalbschale mit Drapierzonen und Drapierebenen zur exakten Definition von Kantenlängen und unbeeinflußten Faserbereichen;
2 Ein flächiges Halbzeug mit durch Nähte gebildeten Versteifungen zur Bildung von Drapierzonen und Drapierebenen für mehrere Bauteile für Kofferhalbschalen;
3 einen Zuschnitt einer Verstärkungsfaserstruktur eines Bauteiles für eine Kofferhalbschale;
4 eine Stapelung von Halbzeugen mit durch Variation der Nähparameter sowie unterschiedlicher Fadenlängen erzielten unterschiedlichen Drapiereigenschaften;
In 1 ist eine Verstärkungsstruktur für eine Kofferhalbschale gezeigt, die von orientiert abgelegten Faserscharen 1 oder gestapelten Gewebe-Einzellagen 1 gebildet ist. Die Faserscharen 1 können in beliebigem Winkel, beispielsweise im Winkel von +/– 45° angeordnet sein. In die Verstärkungsstruktur sind von Nähten 2 gebildete Versteifungen eingebracht, die zur Fixierung der Kontur der Verstärkungsstruktur der Kofferhalbschale dienen. Die Form dieser Nähte 2 entspricht daher im Bereich der Drapierzonen exakt den geforderten Konturen der Kofferhalbschale sowie den drapiertechnischen Gegebenheiten. Im umgeformten Zustand der Verstärkungsstruktur ergeben die Nähte 2 Begrenzungslinien 3 bzw. Kantenlängen 4 der 3-D-Freiformfläche der Kofferhalbschale.
2 zeigt einen Teilbereich einer ebenen Bahn einer Verstärkungsstruktur, in die die Versteifungen bildenden Nähte 2 eingebracht sind. In 2 sind daher die Abwicklungen 5 der 3-D-Freiformflächen für insgesamt 6 Kofferhalbschalen zu erkennen, in denen die Nähte 2 im Bereich der Drapierzonen die Begrenzungslinien 3 sowie die Kantenlängen 4 der 3-D-Freiformflächen der Kofferhalbschalen bilden.
Das Einbringen der Nähte 2 in die Abwicklungen 5 der Verstärkungsstrukturen erfolgt im ebenen Zustand unter Zuhilfenahme von programmierbaren Nähköpfen, wobei die Faserscharen 1 mittels einer Legeeinheit in vorbestimmter Orientierung aufgelegt und in den Stichbildebereich von in der X- und Y- Richtung bewegbaren Nähköpfen gebracht werden.
Anschließend werden die einzelnen Zuschnitte 6 aus der Verstärkungsstruktur-Bahn ausgetrennt und beispielsweise entsprechend DE 100 05 202 A1 zum Faser-Kunststoff-Verbundwerksfoff weiter verarbeitet.
Die Elastizität der einzubringenden Nähte kann dabei durch unterschiedliche Nähparameter eingestellt werden. Dies geschieht über die Anpassung des verwendeten Fadenmaterials und/oder der in das Halbzeug eingebrachten Fadenlänge.
In 4 ist die Situation eines eindimensionalen Umformvorganges bei einem aus zwei Lagenpaketen 7 bzw. 8 gebildeten Halbzeugpaket gezeigt. Bei dem Umformvorgang wird das obere Lagenpaket 7 stärker gedehnt als das untere Lagenpaket 8. Demzufolge sind beim Einbringen einer Naht 9 in das obere Lagenpaket 7 die Stichlänge und auch die Länge des in das Lagenpaket 7 einzubringenden Fadens größer zu wählen als dies für die in das untere Lagenpaket 8 einzubringende Naht 10 erforderlich ist.

Claims

Aus in mindestens einer Ebene ein- oder mehrlagig orientiert abgelegten Fasern bzw. Faserscharen durch Drapieren hergestellte dreidimensionale Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe gekennzeichnet durch vor dem Drapieren der Verstärkungsstruktur in deren Abwicklung in den Bereich von Drapierzonen eingebrachte punktuelle und/oder linienförmige Fixierungen zur Vorbestimmung der Relativlage bzw. Größe von Drapierfixpunkten und/oder Drapierflächen, sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der Verstärkungsstruktur.
Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierungen von Nähten gebildet sind.
Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierungen von ein- oder mehrlagigen Verstärkungsfaser-Paketen aus Geweben, Gelegen, Gewirken, Gestricken, oder sonstigen Flächengebilden und/oder vorgefertigten textilen Verstärkungsgebilden, beispielsweise Preforms bestehen.
Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Verstärkungsstruktur für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe aus in mindestens einer Ebene ein- oder mehrlagig orientiert abgelegten Fasern bzw. Faserscharen, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Drapierung der Verstärkungsstruktur in deren Abwicklung in den Bereich von Drapierzonen punktuelle und/oder linienförmige Fixierungen zur Vorbestimmung der Relativlage bzw. Größe der zu bildenden Drapierfixpunkte und/oder Drapierflächen, sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der Verstärkungsstruktur eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierungen durch frei programmierbare Nähte gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5 zur Herstellung von aus mindestens zwei übereinander angeordneten Lagepaketen bestehenden Halbzeugpaketen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nähparameter eines jeweils unteren Lagenpaketes gegenüber den Nähparametern eines demgegenüber oberen Lagepaketes derart unterschiedlich eingestellt werden, daß bei eindimensionaler Umformung der Lagepakete die in das stärker zu dehnende Lagepaket eingebrachte Fadenlänge größer als die in das weniger zu dehnende Lagepaket eingebrachte Fadenlänge ist.