DE69015962T2 - Composite material, manufacturing process and use of this material. - Google Patents
Composite material, manufacturing process and use of this material.Info
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial.The present invention relates to a composite material.
Das Verbundmaterial ist eine heterogene Substanz, die im allgemeinen Fasern, Fäden, frei oder in Schichten zusammengefügt, enthält, die in ein Harz eingetaucht werden.The composite material is a heterogeneous substance generally containing fibres, threads, free or assembled in layers, immersed in a resin.
Diese Verbundmaterialien liegen im allgemeinen in Form von großen, dicken, hinlänglich festen Planen vor. Sie werden in zunehmendem Maße in der Industrie, insbesondere in der Materialien für Ausrüstungs- und Transportgegenstände etc. herstellenden Industrie verwendet, um Karosserien, Böden etc. herzustellen.These composite materials are generally in the form of large, thick, sufficiently strong tarpaulins. They are increasingly used in industry, particularly in the industry producing materials for equipment, transport items, etc., to make bodies, floors, etc.
Die Platten werden gemäß herkömmlicher Verfahren durch Kontaktverfahren, Vakuumformen, durch Spritzgruß und, gemäß einer neueren Technik, durch Pressen geformt.The panels are formed according to traditional methods by contact processes, vacuum forming, by injection molding and, according to a newer technique, by pressing.
Im allgemeinen besteht ein Herstellungsverfahren daraus, Textilstofte aus Fasern oder Verstärkungsfäden mit ausgeprägten mechanischen Eigenschaften wie: Glas, Kieselerde, Siliziumcarbid, Kohlenstoff, Keramik, Aramide, Polyethylen mit hohem Modul, etc., in Schichten oder Lagen anzuordnen und sie in eine Harz-Matrix einzubetten. Genauer gesagt gießt man in eine, die Ausmaße der Platte aufweisende Form einen Boden aus Harz und ein Trennmittel; darauflegt man eine erste Schicht Stoff, zum Beispiel aus Fäden aus Verstärkungsfasern, die man mit Harz bedeckt; darauflegt man eine zweite Schicht Stoff aus Verstärkungsfäden mit hoher Beständigkeit, die man in gleicher Weise mit Harz bedeckt; auf diese Weise stapelt man mehrere, zum Beispiel fünf oder sechs, Schichten aufeinander, die man mit Harz bedeckt, und man vollendet das Stapeln mit einer letzten Schicht aus Harz und einem Trennmittel. Danach setzt man das Ganze unter Druck, um soviel Luft wie möglich zu enffernen und das Harz in die Stofflagen eindringen zu lassen, und unterwirft es dann einer Hitzebehandlung, bei der das Harz vernetzt oder polymerisiert wird, wodurch ein festes Verbundmaterial und ein so weit wie möglich homogenes Ganzes erhalten wird. Diese Verbundmaterialien können bis zu mehr als vierzig Lagen enthalten, die jeweils eine Dicke in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mm aufweisen; die meisten weisen eine bis fünfzehn Schichten auf und haben nach Pressung und wenn sie gebrauchsfertig sind, eine mittlere Gesamtdicke zwischen 3 und 5 mm. Ihr Gewicht liegt in der Größenordnung von 200 g/m² für eine Glasschicht von einer Dicke von 0,1 mm. Das erhaltene Material ist ein Verbundwerkstoff mit hoher Widerstandskraft, insbesondere gegen Stöße, Zug und Druck.In general, a manufacturing process consists in arranging textile fabrics made of reinforcing fibres or threads with high mechanical properties, such as: glass, silica, silicon carbide, carbon, ceramics, aramids, high modulus polyethylene, etc., in layers or plies and embedding them in a resin matrix. More precisely, a base made of resin and a release agent is poured into a mould the size of the plate; on top of this is placed a first layer of fabric, for example made of reinforcing fibre threads, which is covered with resin; on top of this is placed a second layer of fabric made of high-strength reinforcing threads, which is similarly covered with resin; in this way, several layers, for example five or six, are stacked on top of each other and covered with resin, and the stacking is completed with a final layer of resin and a release agent. The whole is then subjected to pressure to remove as much air as possible and to allow the resin to penetrate the layers of fabric, and then subjected to a heat treatment which crosslinks or polymerises the resin, thus obtaining a solid composite material and a whole that is as homogeneous as possible. These composite materials can contain up to more than forty layers, each of which has a thickness of around 0.1 to 0.2 mm; most have between one and fifteen They consist of 25 layers and, after pressing and when ready for use, have an average total thickness of between 3 and 5 mm. They weigh around 200 g/m² for a glass layer 0.1 mm thick. The resulting material is a composite with high resistance, particularly to impact, traction and compression.
Ein derartiges Verfahren weist jedoch eine Vielzahl von Nachteilen auf:However, such a procedure has a number of disadvantages:
1 - es ist teuer: Das zu seiner Umstellung auf Maschinen notwendige Material ist sehr teuer und im allgemeinen werden die Verfahren manuell durchgeführt, was erhebliche Arbeitskräfte erfordert; außerdem dauert es lange: die Durchführungsschritte sind zahlreich;1 - it is expensive: the material needed to convert it into machines is very expensive and generally the processes are carried out manually, requiring a significant amount of manpower ; in addition, it takes a long time: the steps involved are numerous;
2- das erhaltene Material weist gegenüber Scherkräften nur eine geringe Beständigkeit auf: Man beobachtet Entlaminierung. Dieses Phänomen erklärt sich daraus, daß die Gewebeschichten Luftblasen einschließen, die nicht aus dem Harz entfernt wurden. Die Blasen formen sozusagen kleine Luftschichten, die den Kontakt von Schicht und Harz und die Haftung zwischen den Schichten verringern.2- the material obtained has a low resistance to shear forces: delamination is observed. This phenomenon is explained by the fact that the fabric layers contain air bubbles that have not been removed from the resin. The bubbles form small air layers, so to speak, which reduce the contact between the layer and the resin and the adhesion between the layers.
3- die Homogenität, die durch Hitzebehandlung (Imprägnierung, Polymerisation) erreicht werden soll, kann wegen der Dicke des Materials nur schwer innerhalb eines vernünftigen Zeitraums erzielt werden, wodurch die Entlaminierung noch gefördert wird.3- the homogeneity to be achieved by heat treatment (impregnation, polymerization) is difficult to achieve within a reasonable time due to the thickness of the material, which further promotes delamination.
Außerdem ist ein Gewebe ganz allgemein eine textile Struktur, die dadurch gebildet wird, daß sogenannte Ketffäden mit sogenannten Schußfäden versehen werden. Diese Struktur erstreckt sich in einer Ebene, deren Dicke auf die eines oder mehrerer verwendeter Fäden begrenzt ist, also eine im Verhältnis zur Oberfläche des Gewebes vernachlässigbare Ausdehnung. Eine der üblichen Eigenschaften von Geweben ist ihre Steifigkeit in der Ebene, die je nach ihrer Verwendung ein Vorteil oder ein Nachteil sein kann. Man weiß sehr wohl, daß durch die Verformung eines Gewebes zur Formgebung Falten auftreten, da das Gewebe wegen seiner Struktur nicht in der Lage ist, sich elastisch zu verformen. Die Konfektion stellt also die Kunst dar, Gewebeteile, sei es in der Bekleidungsindustrie oder in jeglicher anderen lndustrie, so zusammenzufügen, daß sie ihre Formen behalten. Will man Verbundmaterialien herstellen, muß das Zusammenfügen von Gewebeschichten aus Gewebestreifen so erfolgen, daß die Formgebung ohne Faltenbildung erfolgt.Furthermore, a fabric is, in general terms, a textile structure formed by combining so-called warp threads with so-called weft threads. This structure extends in a plane whose thickness is limited to that of one or more threads used, i.e. a negligible extension in relation to the surface of the fabric. One of the usual properties of fabrics is their rigidity in the plane, which can be an advantage or a disadvantage depending on their use. It is well known that when a fabric is deformed to give it a shape, wrinkles appear, since the fabric's structure means that it is unable to deform elastically. Making-up is therefore the art of assembling pieces of fabric, whether in the clothing industry or in any other industry, in such a way that they retain their shape. If composite materials are to be produced, the layers of fabric made from strips of fabric must be assembled in such a way that the shape is achieved without wrinkles.
Das Dokument EP 0 258 102 beschreibt ein geschichtetes Material mit einem querverlaufenden Bereich der Art, daß er einen Steg und mindestens einen Flansch umfaßt, zum Beispiel einen als I, T, J oder ähnlich ausgebildeten Querschnitt. Dieses Material wird durch Beeinflussung einer texlilen Struktur durch Verstärkung und Härtung des Ganzen erhalten. Diese textile Struktur ist von der Art, daß es zwei gewebte Tücher A, B, die mit einem Zwischenraum voneinander angeordnet sind, und ein Verbindungstuch C, das sich zwischen den beiden Tüchern A und B erstreckt, enthält. Dieses Verbindungstuch C besteht aus mindestens einem Tuch aus Binde- Kettfäden, die zwischen den Schußfäden der beiden gewebten Tücher A und B eingeschlossen sind.Document EP 0 258 102 describes a layered material having a transverse region such that it comprises a web and at least one flange, for example, a cross-section formed as I, T, J or similar. This material is obtained by influencing a textile structure by strengthening and hardening the whole. This textile structure is such that it comprises two woven cloths A, B arranged with a gap between them and a connecting cloth C extending between the two cloths A and B. This connecting cloth C consists of at least one cloth of binding warp threads enclosed between the weft threads of the two woven cloths A and B.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbundmaterial nach einem Verfahren herzustellen, das die Gesamtheit der dargestellten Schwierigkeiten überwindet: Die Mechanisierung, die Herstellungsgeschwindigkeit, große Verformbarkeit, Beständigkeit gegen Entlaminierung, Homogenität, Kosten.The aim of the present invention is to produce a composite material by a process that overcomes all of the difficulties presented: mechanization, speed of production, high deformability, resistance to delamination, homogeneity, cost.
Gegenstand der Erfindung ist ein Material, das aus vorher mit einem thermoplastischem Harz versehenen Fäden hergestellt wurde, in dem die Fäden in Form eines dicken Gewebes angeordnet sind, das mehrere Reihen Kettfäden umfaßt, die parallel zueinander verlaufen und vertikal unter Bildung einer sich in den drei Dimensionen erstreckenden dicken Schicht übereinandergelagert sind, gekennzeichnet dadurch, daß die Schußfäden in abwechselnder Weise so um die Kettfäden unterschiedlichen Niveaus (2a, 2b, 2c) herumgeführt werden, daß sie dem Gewebe insbesondere im Hinblick auf sein Aufrollen eine ausgeprägte Verformbarkeit verleihen.The invention relates to a material made from threads previously coated with a thermoplastic resin, in which the threads are arranged in the form of a thick fabric comprising several rows of warp threads running parallel to one another and superimposed vertically to form a thick layer extending in three dimensions, characterized in that the weft threads are passed in an alternating manner around the warp threads of different levels (2a, 2b, 2c) in such a way as to give the fabric a pronounced deformability, in particular with regard to its rolling up.
Gemäß weiterer Merkmale der Erfindung:According to further features of the invention:
- Sind die Fäden mit dem Harz durch inniges Vermengen von Verstärkungsfasern und Harz in den Fäden zusammengebracht worden.- The threads have been brought together with the resin by intimately mixing reinforcing fibres and resin in the threads.
- Ist jeder Faden mit einer Harzschicht umhüllt.- Each thread is covered with a layer of resin.
- Wird das dreidimensionale Gewebe aus aus 60% Glas und 40% PEEK zusammengesetzten Fäden hergestellt.- The three-dimensional fabric is made from threads composed of 60% glass and 40% PEEK.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Verstärkungsplatten oder ähnlichen Produkten zur Herstellung von Karosserien, von Fußböden oder entsprechenden Produkten aus einem erfindungsgemäßen Material, gekennzeichnet durch einen Hitzbehandlungsschritt in einer Form, gefolgt von einem Preßschritt.Another object of the invention is a process for producing reinforcing plates or similar products for the manufacture of bodies, floors or corresponding products from a material according to the invention, characterized by a heat treatment step in a mold followed by a pressing step.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird in der beigefügten Zeichnung ein nicht beschränkendes Beispiel des erfindungsgemäßen Materials dargestellt.For a better understanding of the invention, a non-limiting example of the material according to the invention is shown in the accompanying drawing.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, enthält das Gewebe 1 mehrere Reihen von zwei Kettfäden 2, die zueinander parallel verlaufen. In dem Beispiel enthält das Gewebe fünf Reihen von Kettfäden 2a bis 2e. Jede Kette ist horizontal angeordnet, wobei die Reihen vertikal übereinander angeordnet sind und eine dicke Schicht bilden, die sich dreidimensional erstreckt. Die Schußfäden 3 werden in abwechselnder Weise um diese Kettfäden herum geführt und alternieren je nach Wahl zwischen dem Faden des ersten Niveaus 2a und dem Faden des zweiten 2b oder des dritten 2c etc.As can be seen from the drawing, the fabric 1 contains several rows of two warp threads 2 that run parallel to each other. In the example, the fabric contains five rows of warp threads 2a to 2e. Each warp is arranged horizontally, with the rows arranged vertically one above the other, forming a thick layer that extends three-dimensionally. The weft threads 3 are guided around these warp threads in an alternating manner, alternating between the thread of the first level 2a and the thread of the second 2b or the third 2c, etc., as selected.
Das Weben kann entsprechend der Eigenschaft verändert werden, die man dem Gewebe verleihen möchte.The weaving can be changed according to the property you want to give to the fabric.
Durch ein derartiges Verfahren wird ein dickes und, da in einem Stück hergestellt, in seiner Dicke homogenes Gewebe bereitgestellt. Außerdem erhält das Gewebe, da es in drei Dimensionen gewebt wird, eine große Nachgiebigkeit durch innere Verformung.Such a process provides a thick fabric that is homogeneous in thickness because it is made in one piece. In addition, because the fabric is woven in three dimensions, it has a high degree of flexibility due to internal deformation.
In einer ersten Ausführungsform werden die Fäden zuerst mit dem Harz versehen, d. h., daß sie gleichzeitig Verstärkungsfasern und ihre Matrix oder ihr Harz umfassen. Dieses "mit Harz versehen" wird entweder durch inniges Vermischen im Faden, nämlich den Verstärkungsfasern und dem in Faserform vorliegenden Harz, oder durch Umhüllen der Verstärkungsfäden durch eine Harzhülle bewirkt.In a first embodiment, the threads are first provided with the resin, i.e. they simultaneously comprise reinforcing fibers and their matrix or resin. This "resining" is achieved either by intimately mixing in the thread, namely the reinforcing fibers and the resin in fiber form, or by covering the reinforcing threads with a resin sheath.
In einer zweiten Variante wird das Weben mit Fäden durchgeführt, die nur von Harz freie Verstärkungsfasern umfassen. Das Zusammenbringen von Fäden mit Harz oder das "mit Harz versehen" stellt hier eine Umhüllung des Gewebes dar; es wird nach dem Durchgang durch den Webstuhl durch Aufbringen mittels eines Pinsels, durch einen Spritzvorgang, durch Einspritzen oder durch jede andere bekannte Technik durchgeführt.In a second variant, weaving is carried out with threads containing only reinforcing fibers free of resin. The combination of threads with resin or "resining" here represents a coating of the fabric; it is carried out after passing through the loom by application with a brush, by spraying, by injection or by any other known technique.
Die erste Variante ist deshalb vorteilhaft, da sie in einer einzigen Verfahrensstufe ein weiches Material ergibt, das sofort aufgerollt oder in Teile zerschnitten werden kann und ein zur Benutzung fertiges Endprodukt darstellt.The first variant is advantageous because it produces a soft material in a single process step that can be immediately rolled up or cut into pieces and represents a final product ready for use.
Der erhaltene Überzug wird im Anschluß daran einer Hitzebehandlung unterworfen, gegebenenfalls gefolgt von einer Verdichtung, und zwar zum Verschmelzen des Harzes, um dem Überzug die gewünschte Form zu verleihen und ihm im Anschluß daran eine große Festigkeit zu geben.The coating obtained is then subjected to a heat treatment, optionally followed by compaction, in order to fuse the resin in order to give the coating the desired shape and subsequently give it great strength.
Als Herstellungsbeispiel wurde ein dreidimensionales Gewebe mit aus 60% Glas, 40% PEEK bestehenden Fäden verwendet, wobei durch Hitzebehandlung und Pressen Verstärkungsplatten hergestellt wurden.As a manufacturing example, a three-dimensional fabric with threads consisting of 60% glass, 40% PEEK was used, with reinforcement plates being produced by heat treatment and pressing.
Die Erfindung weist unter anderem die folgenden erheblichen Vorteile auf:The invention has, among others, the following significant advantages:
- die dreidimensionale Struktur weist eine vollkommene Homogenität auf;- the three-dimensional structure is completely homogeneous;
- die Tiefenwebung vermeidet aufeinanderfolgende Schichten, so daß kein Entlaminieren mehr möglich ist;- the deep weaving avoids successive layers, so that delamination is no longer possible;
- nach der Hitzebehandlung hat die Anwesenheit von Luftblasen zwischen den gewebten Fäden keinen negativen Einfluß auf die Widerstandsfähigkeit: dieses Verfahren kann folglich erheblich vereinfacht werden.- after heat treatment, the presence of air bubbles between the woven threads has no negative influence on the resistance: this process can therefore be considerably simplified.
- das Material kann mehr oder weniger stark komprimiert werden, wodurch es sehr leicht möglich ist, flexible Formen herzustellen;- the material can be compressed to a greater or lesser extent, making it very easy to produce flexible shapes;
- das Material weist insbesondere im Vergleich mit herkömmlichen Materialien gleicher Dicke ein geringes Gewicht auf. Die Gewichtsersparnis kann auf eine Größenordnung von 20% geschätzt werden.- the material is particularly lightweight compared to conventional materials of the same thickness. The weight saving can be estimated at around 20%.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |