DE69115891T2 - Faserverstärkte verbundwerkstoffe - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung verstärkter Verbundwerkstoffe, die Verstärkungsfäden innerhalb einer Matrix besitzen. Die Erfindung bezieht sich Insbesondere auf die Herstellung verstärkter Kunststoff-Verbundwerkstoffe, bei denen die Verstärkungsfäden in eine Harzmatrix eingebunden werden, und die Erfindung wird hauptsächlich hier in Bezug auf solche Verbundwerkstoffe bzw. Komposits beschrieben. Allerdings ist es möglich, andere Materialien für die Matrix zu verwenden, wie beispielsweise Metalle, Metall-Legierungen oder Keramiken, vorausgesetzt, daß die Verstärkungsfäden in das Material ohne Zerstörung der Integrität deren Fasern eingebunden werden können.
• Die Erfindung ist insbesondere, allerdings nicht ausschließlich, bei der Herstellung von verstärkten Verbundwerkstoffen gemäß des Verfahrens eines Fadenwickelns anwendbar. Die Technik eines Fadenwickelns bzw. eines Präzisionswickelverfahrens ist ausreichend bekannt und wird bei der Herstellung einer breiten Vielfalt von hohlen Gegenständen verwendet. Typischerweise wird ein fortlaufender Faden, z.B. aus Kohlenstoff oder Glasfaser, von einer Haspel abgenommen, durch einen Harzapplikator geführt und unter einer im wesentlichen gleichförmigen Spannung auf einen sich drehenden Dorn geführt. Allgemein werden mehrere Fäden auf den Dorn zur gleichen Zeit aufgewickelt. Präzisionswickelmaschinen, die zum Aufbauen der erforderlichen Form auf dem Dorn programmierbar sind, sind bekannt und im Stand der Technik verfügbar, wie sie zum Beispiel in der US-A-4145740 offenbart sind. Nachdem das Harz gehärtet ist, wird der Verbundwerkstoff von dem Dorn abgenommen, auf dem ein Lösemittel als primärer Schritt in dem Herstellverfahren aufgebracht wird, um dieses Abnehmen des geformten Gegenstands zu erleichtern. Die Fäden, die in herkömmlichen Präzisionswickelverfahren verwendet werden, bestehen aus fortlaufenden Fasern oder zuvor gesponnenem Stapelgarn, was bedeutet, daß sie einen im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt und demzufolge Gewicht pro Längeneinheit entlang deren Länge besitzen. Weiterhin ist es, während sie gute Festigkeitscharakteristika unter Längsspannungsbelastungen zeigen, auch ein Merkmal der Fäden, daß sie nicht irgendeiner wesentlichen Verlängerung unterliegen, und als Konsequenz werden sie brechen, bevor sie in irgendeinem wesentlichen Umfang unter übermäßigen Belastungen gedehnt werden.
• Die bekannten Präzisionswickelverfahren sind nicht ohne bestimmte Nachteile. Falls zum Beispiel ein paralleler Zylinder gewickelt werden soll, ist es notwendig, eine bestimmte Verweilzeit an dem Ende des Dorns nach dem Wickeln jedes Verlaufs von Windungen entlang des Dorns zu ermöglichen, um zu vermeiden, daß die Windungen an dem Ende von dem Ende aufgrund der Umkehrungder Fadenführungsbewegung zurückgezogen werden. Aufgrund dieser Verweilzeit wird eine zusätzliche Schleife oder ein Buckel aus Material an jedem Ende gebildet, das abgeschnitten und als Abfall weggeworfen werden muß. Dies ist unbequem und eine offensichtliche Materialverschwendung. Falls ein nicht zylindrischer, geformter Gegenstand, z.B. ein Druckkessel oder eine komplizierte Form, hergestellt werden soll, werden die bekannten Präzisionswickelverfahren wenig effizient. Es ist eine Tendenz vorhanden, mehr Material auf einen kleineren Durchmesser zu wickeln, wo es nicht notwendigerweise benötigt wird, und als Folge kann das fertiggestellte Formteil schwerer werden und teurer, als dies theoretisch erforderlich ist. Zusätzlich ist es, als eine Konsequenz des gleichförmigen Gewichts pro Längeneinheits-Charakteristik der Fäden, nicht möglich, eine adäquate Festigkeit in bestimmten Flächenbereichen des Formteils ohne Aufbringung von mehr Fäden, als dies eigentlich in den anderen Flächenbereichen notwendig ist, und zwar aufgrund der Grenzen des Wickelverfahrens, zu erreichen.
• Die vorliegende Erfindung zielt darauf, zumindest die vorstehenden Nachteile zu mindern, und gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Verbundwerkstoffs geschaffen, wobei ein mittels Stapelgarn verstärkter Faden in eine Matrix eingebunden wird, gekennzeichnet dadurch, daß der Faden ein Stapelgarn ist, das aus aus diskontinuierlichen Fasern mit einem ausreichend niedrigen Drall bzw. Twist gesponnen ist, um eine Verlängerung des Garns unter Spannkräften zu ermöglichen, und wobei das Garn einem kontrollierten Dehnen unterworfen wird, wodurch das Gewicht pro Längeneinheit des Garns entlang der Länge davon variiert wird.
• Bei der Präparation eines herkömmlich gesponnenen Stapelgarn-Fadens zur Verwendung in einem Präzisionswickelverfahren wird das Stapelgarn aus diskontinuierlichen Fasern, typischerweise 10 bis 100mm lang, gesponnen. Die Fasern werden anfänglich zu einem groben Faden gesponnen, der darauffolgend gezogen und in eine viel längere, dünnere Faser gesponnen wird. Ein fester Twist wird in das Garn eingebracht, um es zusammenzuhalten, und das fertiggestellte Garn besitzt eine so starke Reibung zwischen den Fasern, daß das Garn eher reißen wird, als sich zu dehnen. Entsprechend dem Verfahren, das gemäß der Erfindung vorgeschlagen ist, wird das Garn mit einem relativ geringen Twist gesponnen, so daß die Fasern lose genug sind, daß sie in der Lage sind, in Bezug zueinander zu rutschen, wenn das Garn starken Spannkräften unterworfen wird, und das Garn dehnt sich permanent mit einer entsprechenden Reduktion seines Gewichts pro Längeneinheit. Durch Kontrollieren einer Dehnungskraft, die auf das Garn beaufschlagt wird, wird dessen Verlängerung und demzufolge Gewicht pro Längeneinheit (und Querschnitt) dazu gebracht, daß sie sich, wie dies erforderlich ist, entlang der Länge des Garns variiert, wenn es von einer Zuführung abgezogen wird, und zwar unmittelbar vor seiner Verwendung, wie beispielsweise in einem Präzisionswickelverfahren.
• Nachdem das Garn einem kontrollierten Dehnen gemäß dem Verfahren der Erfindung unterworfen worden ist, wird es konsolidiert bzw. verfestigt, um die Risiken einer weiteren Verlängerung zu reduzieren.
• Die Erfindung schafft auch ein Gerät zur Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens, das eine Einrichtung zum Aufnehmen eines Stapelgarns von einer Zuführung bzw. Vorrat und ein Führen des Garns entlang eines Zuführpfads zu einer Umwandlungseinrichtung aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß die Garnspanneinrichtungen entlang des Pfads beabstandet und so angeordnet sind, um das Garn unter einer Spannung dazwischen aufrechtzuerhalten, und daß Steuereinrichtungen vorgesehen sind, um die Spanneinrichtungen einzustellen, um die Spannung, die auf das Garn ausgeübt wird, zu variieren, wenn das Garn dort hindurch läuft, wodurch das Gewicht pro Längeneinheit des Garns, das zu der Umwandlungseinrichtung zugeführt wird, entlang des Garns in einer vorbestimmten Art und Weise variiert.
• Die Umwandlungseinrichtung kann zum Herstellen einer Verstärkungsvorform oder eines Bands oder eines gewebten Stoffs für eine weitere Verarbeitung angepaßt sein, um einen verstärkten Verbundwerkstoff herzustellen. Alternativ kann die Umwandlungseinrichtung zum Herstellen eines geformten Verbundwerkstoffs, der den Verstärkungsfaden einsetzt, angepaßt sein. Zum Beispiel könnte die Umwandlungseinrichtung eine Pultrusionsdüse bzw. -form sein, oder könnte eine Harzaufbringvorrichtung und einen Dorn, auf den das mit Harz imprägnierte Garn aufgewickelt wird, aufweisen.
• Herkömmlich weist die Spanneinrichtung ein Paar Vorrichtungen auf, die entlang des Garnpfads zueinander beabstandet sind und so angeordnet sind, um das Garn zu ergreifen. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Vorrichtungen Klemmspalte sein, von denen jeder eine angetriebene Walze, die mit einer Gegenwalze zusammenarbeitet und unter einer kontrollierten Geschwindigkeit drehbar ist, besitzen. Es ist nicht für das Dehnen wesentlich, daß es in einem einzelnen Schritt ausgeführt wird, und es können zwei oder mehr aufeinanderfolgende Dehnungsstufen verwendet werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung einen Gegenstand, der aus einem Verbundmaterial besteht, das Verstärkungsfasern innerhalb einer Matrix aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens eine der Fasern ein Stapelgarn ist, das aus diskontinuierlichen Fasern gesponnen ist und ein Gewicht pro Längeneinheit besitzt, das entlang der Länge des Fadens variiert, derart, daß der Gegenstand eine vorbestimmte, nicht gleichförmige Stärke und/oder Steifheit und/oder dimensionsmäßige Charakteristik besitzt.
• Ein besseres Verständnis der Erfindung wird aus der detallierten Beschreibung erhalten, die folgt, und wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird, in denen:
• Fig. 1 stellt schematisch ein Fadenwickelgerät gemäß der Erfindung dar;
• Fig. 2a zeigt eine Seitenansicht des Geräts, das in Fig. 1 dargestellt ist, und umfaßt zusätzliche Details des Antriebsmechanismus des Garnzuführsystems;
• Fig. 2b stellt eine Modifikation des Geräts dar, das in Figur 2a gezeigt ist;
• Fig. 3 zeigt einen Abschnitt, der einen nicht symmetrischen Zylinder darstellt, der durch das Verfahren der Erfindung hergestellt werden kann;
• Fig. 4 zeigt einen Schnitt, der einen Tragflügel darstellt, der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt ist;
• Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Pultrusions-Ziehdüse;
• Fig. 6 stellt eine mögliche Verteilung von Verstärkungsfäden in einem Profil dar, das durch eine Pultrusions-Ziehdüse hergestellt ist; und
• Fig. 7 stellt eine zweiteilige Form im Querschnitt dar.
• Das Gerät, das in den Figuren 1 und 2a dargestellt ist, umfaßt einen Dorn 1, der durch eine Antriebswelle 2 getragen ist, die so angeordnet ist, daß sie in axialer Rotation durch einen Motor 3 über einen verzahnten Riemen 4 angetrieben wird. Der Dorn, der dargestellt ist, ist von kreiszylindrischer Form, allerdings kann er andere Formen haben, wie dies nach dem Stand der Technik bekannt ist, entsprechend dem besonderen, geformten Gegenstand, der hergestellt werden soll. Das Fadenzuführsystem ist an einem Schlitten 5 befestigt dargestellt, der für ein Hin- und Herbewegung durch ein Paar Schienen 6 getragen wird, die sich parallel zu der Dornachse erstrecken. Das System umfaßt einen Vorrat an leicht gesponnenem Garn 8, z.B. eine Spulenaufnahme mit einer Garnhaspel 10, ein Führungsauge 9 und in Reihe entlang des Garnzuführpfads ein erstes Paar Walzen 11, 12, zum Ergreifen des Garns 8, ein zweites Paar Walzen 13, 14, das von dem ersten Paar beabstandet und so angeordnet ist, um das Garn zu ergreifen, und zwar für ein Spannen und Dehnen des Abschnitts des Garns zwischen den Walzenpaaren, einen Führungskamm 15 für eine seitliche Führung des Garns, einen Harzappukator 16 und ein Führungsauge 17.
• Der Harzapplikator 16 ist so dargestellt, daß er von einem Typ ist, der eine Walze 20 besitzt, die teilweise in einem Bad eines flüssigen Harzes 21 eingetaucht ist und mit der das Garn 8 einen Kontakt über einen kleinen Oberseitenbereich der Walze herstellt. Die Walze wird durch einen Motor 23 über eine Schlupfkupplung und einen Antriebsriemen 24 gedreht. Die Menge des Harzes, das durch die Oberfläche der Walze aufgenommen wird, wenn die Walze gedreht wird, wird durch eine Rakel 25 kontrolliert, die zu der Walze vorgeschoben und von dieser zurückgezogen werden kann, z.B. mittels eines Motors und Führungsschrauben, und zwar zum Einstellen der Dicke der Harzbeschichtung. Die Schlupfkupplung wird dazu eingesetzt, um zu vermeiden, daß die Walze 20 übermäßige Spannkräfte auf das Garn 8 aufbringt, und um einen Schlupf zu vermeiden, der bewirkt, daß das Garn zu viel oder zu wenig Harz aufnimmt. Anstelle des Harzapplikators, der dargestellt und beschrieben ist, könnte irgendeine andere Vorrichtung einer bekannten Art zum Aufbringen flüssigen Harzes auf ein Garn verwendet werden, wie beispielsweise eine Vorrichtung mit Garnführungen, die so angeordnet sind, um das Garn direkt durch ein Harzbad zu führen. Gemäß der Erfindung ist das prinzipielle, neuartige Merkmal in dem Gerät der Einsatz einer Einrichtung zum Spannen des Garns 8 um einen variablen Betrag zwischen der Garnzuführung und dem Harzapplikator. Diese Einrichtung wird durch die beabstandeten Walzenpaare 11, 12, und 13, 14 gebildet. Das Garn 8 ist ein Stapelgarn mit einem leichten Twist, das zum Beispiel aus fortlaufenden Fasern einer zufälligen Länge gesponnen ist und hauptsächlich aus Fasern von 100 mm bis 250 mm Länge besteht. Beim Vorgang des Dehnens des Garns können lange Fasern gebrochen werden. Die Fasern, die für das Garn verwendet werden, können irgendein geeignetes Material umfassen, wie beispielsweise Glas, Aramid, Kohlenstoff oder Siliziumkarbid. Allerdings kann, im Gegensatz zu herkömmlichen Garnen, das Garn nur leicht verdrillt werden, so daß das Garn unter Spannung herausgezogen oder gedehnt werden kann. Das erste Walzenpaar umfaßt eine Antriebswalze 11 und eine Führungs- bzw. Gegenwalze 12 in Kontakt mit der Walze 11, um einen ersten Spalt zu definieren, während das zweite Walzenpaar eine Antriebswalze 13 und eine Führungs- bzw. Gegenwalze 14 umfaßt, um einen zweiten Spalt festzulegen. Jede der Walzen 11, 13 wird durch einen jeweiligen Motor 30 über einen verzahnten Riemen 31 angetrieben und jede umfaßt in ihrem Antriebssystem eine Bremse zum Verlangsamen der Walzenrotation. Zur Bequemlichkeit und Einfachheit der Steuerung sind die Walzen 11, 13 vorzugsweise von demselben Durchmesser, so daß sie dann, wenn sie unter im wesentlichen derselben Geschwindigkeit angetrieben werden, das Garn mit derselben Rate vorschieben, und das Gewicht pro Längeneinheit des Garns, das zu dem Harzappukator 16 zugeführt wird und darauffolgend zu dem Dorn 1, wird dasselbe sein wie das Garn, das von dem Gatter abgezogen ist (die Fähigkeit eines Antriebs der Walzen 11, 13 mit derselben Geschwindigkeit verbessert die Vielseitigkeit, da die Maschine noch für eine fortlaufende Fadenaufwicklung verwendet werden kann, wenn dies erforderlich ist). Um diese insbesondere so einzustellen, um das Gewicht pro Längeneinheit des Garns zu reduzieren, wird die Walze 13 des zweiten Spalts schneller als die Walze 11 des ersten Spalts gedreht, mit dem Ergebnis, daß der Abschnitt des Garns zwischen den zwei Spalten um einen Betrag in Abhängigkeit von der Differenz in den Umfangsgeschwindigkeiten der Walzen 11, 13 gedehnt wird. Durch Einstellung der Geschwindigkeit der Differenz kann das Gewicht pro Längeneinheit des Garns, und dadurch der Garndurchmesser, während des Wickelprozesses variiert werden, und durch Steuerung bzw. Kontrolle dieser Einstellung in Relation zu der Dornrotation und unter Berücksichtigung des Wickelmusters, das eingesetzt wird, kann die Dicke des harzimprägnierten Garns, das auf den Dorn aufgebracht wird, über unterschiedliche Bereiche des Dorns variieren, um die geformte Kontur, wie dies erforderlich ist, zu erhalten.
• Falls die Garnzuführrate mit der Rotation des Dorns synchronisiert werden muß, wird es in irgendeiner praktischen Installation vielleicht sehr bequem sein, die Walze 13 des zweiten Spalts unter einer konstanten Geschwindigkeit anzutreiben und die Geschwindigkeit der Rotation der Walze 11 so zu variieren, um die Garnverlängerung einzustellen. Während ausgeführt ist, daß die Walze 13 unter einer konstanten Geschwindigkeit gedreht wird, kann diese Geschwindigkeit während des Wickelprozesses geändert werden, um für den Aufbau der Dicke des Materials, das auf den Dorn aufgebracht wird, wenn das Wickeln fortschreitet, in einer Art und Weise, die allgemein im Stand der Technik bekannt ist, zu kompensieren, oder um einen nicht kreisförmigen oder nicht zylindrischen Dorn zu ermöglichen. Es wird angenommen, daß in einer praktischen Ausführungsform der Erfindung die Umfangsgeschwindigkeit der Walze 11 innerhalb der Grenzen von 1001. bis 101. der entsprechenden Geschwindigkeit der Walze 13 variiert werden kann, wobei das Gewicht pro Längeneinheit innerhalb eines Verhältnisses von rund 10:1 variabel sein würde. Tests haben gezeigt, daß der Antrieb der Walzen unter einem Geschwindigkeitsverhältnis von 5,2:1 sicherlich praktikabel ist.
• Natürlich muß das Dehnen des Garns zwischen den Spalten der Walzenpaare 11, 12 und 13, 14 die Verzögerung berücksichtigen, mit der das Garn den Dorn erreicht, nachdem es den zweiten Spalt verläßt, allerdings stellt dies nicht irgendeine größere Schwierigkeit dar und kann in elektromechanischen Steuersystemen oder Mikroprozessor-Steuersystemen gehandhabt werden, wie sie beim Umsetzen der Erfindung in die Praxis einsetzt werden können.
• Es kann erwünscht sein, die Menge des Harzes, die auf das Garn aufgebracht wird, gemäß seines Gewichts pro Längeneinheit so zu steuern, um ein erwünschtes Verhältnis oder eine Proportion der Harzmatrix zu der Verstärkung in dem Endkomposit beizubehalten. Zu diesem Zweck kann die Position der Rakel 25 hinsichtlich der Walze 20 eingestellt werden, vorzugsweise automatisch in Abhängigkeit von dem Umfang, in dem das Garn 8 gedehnt wird, d.h. das Geschwindigkeitsdifferential der Walzen 11, 13.
• Es ist für das Garn nicht notwendig, es in einem einzelnen Schritt zu dehnen, und die Dehnung kann anstelle davon in einer Reihe von zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Stufen ausgeführt werden. In Fig. 2b ist ein modifizierter Garndehnmechanismus dargestellt, der einen zweistufigen Dehnvorgang vornimmt. Für diesen Zweck ist ein zusätzliches Paar Walzen 18, 19 zwischen dem ersten Walzenpaar 11, 12 und dem zweiten Walzenpaar 13, 14 angeordnet, und die Walze 18 wird, wie die Walzen 11 und 13, durch einen Motor 30 über einen verzahnten Riemen 31 angetrieben. Das Garn wird zu dem ersten Walzenpaar über einen Garnführungskegel 9 und eine weitere Garnzuführung 29, die so angeordnet ist, um das Garn zu dem zweiten Walzenpaar 13, 14 zu führen, zugeführt. Dem Zwischenwalzenpaar 18, 19 zugeordnet und sich auslaufseitig davon erstreckend ist ein fortlaufender Gummiriemen 28 vorhanden, der um die angetriebene Walze 18 und eine parallele Walze, die dazu beabstandet ist, herumgeführt ist. Der obere Bereich des Riemens 28 liefert eine gewisse Stütze für das Garn während des Dehnens in der zweiten Stufe. Die angetriebene Zwischenwalze 18 wird unter einer gesteuerten Geschwindigkeit zwischen den Geschwindigkeiten der angetrieben Walzen 11, 13 angetrieben, so daß das Garn 8 in zwei aufeinanderfolgenden Stufen gedehnt wird. Es wird ersichtlich werden, daß weitere Paare von Walzen vorgesehen werden könnten, falls dies erforderlich ist, so daß das Dehnen in mehreren Stufen und demzufolge graduell ausgeführt wird. Es wird ersichtlich werden, daß anstelle eines separaten Motors zum Antreiben der oder jeder Zwischenwalze eine diffentielle oder epizyklische Zahnradanordnung verwendet werden kann.
• Das Gerät ist in Bezug auf die Zuführung eines einzelnen Garns zu dem Dorn beschrieben worden, allerdings, wie es bei Fadenwickelmaschinen nach dem Stand der Technik üblich ist, ist das Gerät vorzugsweise dazu geeignet, mehrere Garne zu dem Dorn zur gleichen Zelt in der allgemeinen Form eines flachen Bands beabstandeter, paralleler Garne zuzuführen.
• Durch Ermöglichung, daß die Charakteristik des Gewichts pro Längeneinheit während des Wickelprozesses variiert werden kann, gibt die Erfindung eine zusätzliche Variationsmöglichkeit bezüglich des Fadenwickelverfahrens, was bisher nicht verfügbar war. Demzufolge kann in dem Fall eines Wickelns eines parallelen Zylinders, wie dies zuvor erwähnt ist, das Garn während der Verweilzeiten an den Enden der Formung gedehnt und dünner gemacht werden, um die Größe der Ausbuchtungen an den Enden zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren. Zusätzlich ist es möglich, Gegenstände herzustellen, z.B. Druckgefäße, mit einer gleichförmigen Wanddicke und einer im wesentlichen gleichförmigen Faserverteilung, ungeachtet der Tatsache, daß sie nicht zylindrisch sind und eine relativ komplizierte Form besitzen. Zusätzlich können Gegenstände mit Wanddicken hergestellt werden, die in einer erwünschten Weise gegenüber dem Gegenstand variieren, beispielsweise mit normalerweise dünneren Teilen, die dicker gemacht werden als der Durchschnitt. Beispielhaft ist in Fig. 3 ein Zylinder dargestellt, der, unter Einsetzen des Verfahrens der Erfindung, mit einer Wanddicke ausgebildet ist, die um den Zylinder herum variiert, und ein Maximum an einer Position in einem diametralen, gegenüberliegenden Bereich zu der Position, wo die Dicke ein Minimum ist, besitzt. Fig. 4 stellt ein anderes Beispiel dar, bei dem es sich um einen Tragflügelabschnitt handelt, der so angeordnet ist, daß er eine maximale Wanddicke an den oberen Seiten benachbart der Führungskante besitzt.
• Es ist nicht für alle Fäden wesentlich, die um den Dorn gewickelt sind, daß deren Gewicht pro Längeneinheit während des Wickelprozesses variiert werden muß, und irgendein Faden, der nicht einer solchen Dehnung unterworfen wird, kann aus einer fortlaufenden Faser oder einem gesponnenen Garn hergestellt werden, wie er in einem herkömmlichen Fadenwickelprozeß verwendet wird. Die Figuren 1 und 2a stellen ein solches zusätzliches Garn 41 dar, das von einer Haspel 42 zugeführt wird und in dem Zuführpfad auslaufseitig der Dehnungswalzenpaare zugeführt wird, nämlich an dem Führungskamm 15. Alternativ könnte das Garn 41 in den Spalt zwischen den Walzenpaaren 13, 14 oder durch einen Kegel 29 eingeführt werden. Das zusätzliche Garn 41 wird tatsächlich mit dem Garn 8 kombiniert, wobei die zwei Garne durch dasselbe Auge 17 geführt werden, was den Vorteil hat, daß ein nicht dehnbares Garn 41 dahingehend unterstützend wirken kann, irgendeiner unerwünschten, zusätzlichen Dehnung des Garns 8 vorzubeugen, wenn dieses auf den Dorn aufgebracht wird. Irgendeine zusätzliche, fortlaufende Faser oder ein gesponnenes Garn 41 eines konstanten Gewichts pro Längeneinheit kann, muß allerdings nicht notwendigerweise, aus demselben Material wie dasjenige des gesponnenen Garns 8 hergestellt werden, was Gegenstand eines selektiven Dehnens ist. Zum Beispiel könnte das zusätzliche Garn 41 Kohlenstoff und das Garn 8 Glas sein.
• Es ist die übliche Praxis, das Garn, das auf einen Dorn aufgebracht wird, unter einer gesteuerten bzw. kontrollierten Spannung (mittels nicht dargestellter Einrichtungen) zu halten, da dies den Harzgehalt des Komposits beeinflußt. In dem Gerät der Erfindung, wie es dargestellt ist, kann ein kleiner Grad einer Dehnung des Garns 8 zwischen dem Walzenpaar 13, 14 und dem Kamm 15 zugelassen werden, um eine Fehlanpassung zwischen den Geschwindigkeiten der Walze 13 und des Dorns 1 zu kompensieren, wobei angenommen wird, daß kein ungedehntes Garn vor der Walze 13 eingeführt wird.
• Nachdem das Garn 8 gestreckt ist, kann es mittels einer Einrichtung, wie beispielsweise ein zusätzliches Paar Walzen (nicht dargestellt), mit einem verdrillenden Element verfestigt werden, um in das Garn entweder einen "falschen Drill" oder einen "Eigendrill" einzubringen, wobei beide Typen einer Verdrillung bzw. eines Twists ausreichend auf dem Gebiet des Spinnens von Garn bekannt sind. Das fertige Garn, das so erhalten wird, kann die fortlaufenden Fäden in dem Garn 41 umfassen. Eine andere bekannte Technik, die eingesetzt werden kann, um die Kohäsion zwischen den Fasern des Stapelgarns auf das Dehnen folgend zu verbessern, ist diejenige des "Wickel spinnens".
• Das Verfahren der Erfindung kann dazu eingesetzt werden, um Verbundwerkstoffe herzustellen, wobei die Steifigkeit über die Dicke des Kompositmaterials variiert. Eine Art und Weise, um dieses Ergebnis zu erreichen, ist das Erhöhen der relativen Menge zusätzlichen, z.B. kontinuierlichen, Garns in den Verstärkungsfäden, die in diese Schichten eingebracht werden, wobei eine erhöhte Steifigkeit erwünscht ist, z.B. an den Außenoberflächen des Verbundwerkstoffs. In dem Fall eines zylindrischen Gegenstands, der durch das Fadenwickelsystem, das in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, hergestellt ist, kann dieses Ergebnis durch Wickeln der Verstärkungsfäden auf den Dorn mit dem Walzenpaar 11, 12, das anfänglich unter einer minimalen Geschwindigkeit (d.h. das Garn 8, das zu dem Dorn zugeführt wird, besitzt ein minimales Gewicht pro Längeneinheit) gedreht wird, erreicht werden, nachdem eine ausreichende Dicke aufgebaut worden ist, wobei die Geschwindigkeit des Walzenpaars 11, 12 auf ein Maximum erhöht wird (das Garn wird dann zu dem Dorn mit einem maximalen Gewicht pro Langeneinheit zugeführt), und unter darauffolgendem Reduzieren der Geschwindigkeit der Walzen 11, 12 wiederum auf ein Minimum, um die äußeren Schichten des zylindrischen Gegenstands zu bilden. Diese Technik könnte zum Beispiel dazu verwendet werden, ein Rohr für eine unterirdische Verwendung herzustellen, das einen hohen Widerstand gegenüber einer umfangsmäßigen Deformation besitzt. Natürlich ist es nicht wesentlich, nur maximale und minimale Geschwindigkeiten einzusetzen, so daß Zwischengeschwindigkeiten auch möglich sind und verwendet werden könnten, um zum Beispiel graduell zwischen hohen und niedrigen Geschwindigkeiten zu ändern.
• Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich werden, daß zusätzlich dazu, daß ermöglicht wird, Wanddicken in einer Art und Weise, die zuvor nicht möglich war, zu verändern, wenn Fadenwickelherstellverfahren verwendet werden, wobei es die Erfindung auch möglich macht, die Festlgkeitscharakteristika innerhalb der Struktur eines Verbundwerkstoff-Gegenstands zu variieren.
• Gemäß einer anderen Modifikation des Verfahrens kann das Harz während des Herstellverfahrens verändert werden, um erwünschte Charakteristika in dem fertiggestellten Gegenstand zu erhalten. In der Ausführungsform des Verfahrens, wie es gerade beschrieben ist, könnte zum Beispiel, wenn die Geschwindigkeit des Walzenpaars 11, 12 erhöht wird, das Harz, das zu dem Harzbad 21 zugeführt wird, zu einer unterschiedlichen Zusammensetzung geändert werden, wie beispielsweise von isophthalischem Polyesterharz zu orthophthalischem Polyesterharz, und eine weitere Änderung der Harzzusammensetzung kann stattfinden oder kann nicht stattfinden, wenn die Geschwindigkeit des Walzenpaars wieder reduziert wird. Eine Änderung des Harzes kann auch eine Hinzufügung teilchenförmigen Füllers zu dem flüssigen Harz umfassen oder daraus bestehen oder aus einer Änderung der Menge eines solchen Füllers, der zu dem Harz hinzugefügt wird. Diese Technik bedeutet zum Beispiel, daß das Harz in dem Kernbereich stärker mit billigem, teilchenförmigen Füller gefüllt werden kann, was vorteilhaft aus Gründen der Ökonomie ist.
• Eine Änderung des Harztyps kann auch die Stärke/Steifheits-Charakteristika beeinflussen, allerdings stellt dies zusätzlich die Möglichkeit einer Änderung anderer Eigenschaften dar. Zum Beispiel kann ein Gegenstand, wie beispielsweise das unterirdische Rohr, das erwähnt ist, Oberflächenschichten haben, die gegenüber einem chemischen Angriff widerstandsfähig sind, sowohl innenseitig als auch außenseitig, wogegen innerhalb des Inneren der Rohrwandstruktur, d.h. innerhalb des Kernbereichs des Harzlaminats, die Eigenschaften des Materials unterschiedlich sein können. Zum Beispiel kann der Harz in dem Kern eine geringere Korrosionsbeständigkeit haben und relativ billig verglichen mit demjenigen der Außenschichten sein, und er kann einen hohen Anteil eines Füllers, wie dies vorstehend erwähnt ist, umfassen, so daß eine Gesamtkostenersparnis ohne Verlust der Korrosionsbeständigkeit an den Oberflächen erzielt wird. Der Einsatz eines hohen Anteils an Stapel- bzw. Schnittfasern auf der neutralen Achse wird eine gute Zwischenlaminarscherfestigkelt dort ergeben, wo die Scherbeanspruchungen am höchsten sind.
• Während die Erfindung bis jetzt insbesondere in Bezug auf ein Fadenwickelverfahren beschrieben worden ist, bei dem flüssiges Harz auf das Garn aufgebracht wird, sollte verständlich werden, daß die Erfindung eine breitere Anwendung besitzt. Es ist auch bei einem Fadenwickeln bekannt, Fasern eines thermoplastischen Materials einzusetzen, wobei der Faden auf den Dorn gewickelt wird und entweder die Fasern unmittelbar, bevor sie auf den Dorn aufgewickelt werden, erhitzt oder die gewickelte Masse mit dem Abschluß des Wickelschritts erhitzt wird, um das thermoplastische Material zu erweichen, um die Harzmatrix zu bilden, die die Verstärkungsfasern einbettet. Die Erfindung kann bei einem solchen Verfahren angewandt werden und wird dieselben Vorteile sicherstellen, die schon erwähnt sind. Zusätzlich kann die Erfindung auch vorteilhaft bei Verfahren angewandt werden, die nicht ein Fadenwickeln darstellen, das zum Herstellen von fadenverstärkten Komposits verwendet wird. Ein solches alternatives Verfahren ist dasjenige, das als "Pultrusion" bekannt ist, wobei ein Bündel von Fäden, gewöhnlich fortlaufende Fasern, und ein impragnierendes Harz durch eine formende Ziehdüse gezogen werden, um einen erwünschten Querschnitt zu erhalten. Gemäß der Erfindung können mindestens einige der Fäden einem kontrollierten Dehnen unterworfen werden, bevor sie zu der Pultrusions-Ziehdüse zugeführt werden, wobei der Abschnitt, der hergestellt ist, so hergestellt sein kann, daß er zum Beispiel eine variierende Flexibilität entlang seiner Länge besitzt. Die Ziehdüsenöffnung kann synchron zu dem Gewicht pro Längeneinheit des Fadenbündels eingestellt werden, falls dies als notwendig oder erwünscht erachtet wird. Ein Beispiel einer geeigneten Pultrusions-Ziehdüse zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes mit rechtwinkligem Querschnitt ist in Figur 5 dargestellt. Sie umfaßt ein erstes, U-förmiges Ziehdüsenteil 50 und ein zweites Ziehdüsenteil 51, das relativ zu dem ersten Ziehdüsenteil bewegbar ist und damit eine Ziehdüsenöffnung eines variablen Querschnitts festlegt. Natürlich könnte das bewegbare Ziehdüsenteil in der Lage sein, sich zu neigen und/oder einen Grad einer Flexibilität entlang seiner Länge zu haben, um diese Variation des Ziehdüsenquerschnitts zu erleichtern. Das harzimprägnierte Faserbündel wird durch die Ziehdüse gezogen und die zwei Teile davon werden entsprechend der Menge der Fasern, die durch die Form hindurchgeführt werden und die durch Dehnen von Garnen, die durch die Ziehdüse zugeführt werden, variiert wird, gemäß der Erfindung eingestellt.
• Mit dieser Ausführungsform können konische Querschnitte hergestellt werden und es wäre möglich, Spannteile mit dickeren Enden für die effektive Befestigung der Endbefestigungen zum Beispiel herzustellen. Die fortlaufenden Verstärkungsfäden werden, bei der Pultrusionstechnik, äußerst geeignet an den Oberflächen konzentriert, wobei die Stapelgamfäden in dem Kern 94 des Verbundwerkstoffs konzentriert werden. Die Stapelfasern werden auch die Scher- und Zwischenlaminarstärke verbessern, wo dies am meisten benötigt wird. Die Konzentration fortlaufender Fasern 90, wobei mindestens einige davon als gewebtes Erzeugnis oder Band eingeführt werden können, und zwar nahe der Oberfläche eines Komposits 91, das durch Pultrusion gebildet ist, ist in Figur 6 dargestellt, die schematisch einen Querschnitt durch eine Pultrusions-Ziehdüse 92, 93 mit variabler Öffnungs darstellt.
• Ein anderes, alternatives Verfahren setzt ein Umwickeln eines sogenannten Prepregs ein, d.h. ein flexibles Band mit Verstärkungsfäden, die in einem ungehärteten oder teilweise gehärteten Kunststoff eingeschlossen sind, typischerweise Epoxidharz, wird um ein Formteil herumgewickelt, oder auf eine Form aufgelegt, um die erwünschte Form zu erhalten, und durch Vervollständigen des Aushärtprozesses. Der Ausdruck "Band", wie er hier verwendet wird, ist dahingehend beabsichtigt, eine Gruppe oder ein Bündel paralleler Fasern zu umfassen. Wenn die verstärkten Fasern einer selektiven und kontrollierten Dehnung während der Präparation des Prepreg-Bands unterworfen werden, wird deren Gewicht pro Längeneinheit des Bands variieren, und das Band kann sich zum Beispiel in der Dicke entlang seiner Länge verringern und dadurch eine erwünschte Variation der Wanddicke in dem fertiggestellten, geformten Gegenstand liefern.
• Anstelle einer Verwendung eines zuvor vorbereiteten Prepreg-Bands können die Fasern mit Harz unmittelbar vor einem Auflegen auf die Form imprägniert werden. Weiterhin können die Verstärkungsfasern mit thermoplastischen Fasern vermischt werden, die dann unter Wärme und Druck auf der Form geschmolzen werden. Bei diesem Verfahren kann die Form flach sein oder irgendeine andere Form haben.
• Ebenso wie die vorstehend erwähnten Verfahren, mit denen die Verstärkungsfäden in die Harzmatrix eingebaut werden können, ist ein anderes Verfahren durchführbar und setzt die Verstärkungsfäden ein, die das Garn aufweisen, das einem kontrollierten Dehnen unterworfen wird, die ohne Harz auf ein Formteil einer erforderlichen Konfiguration aufgewickelt werden, um eine Verstärkungsvorform zu bilden, die dann in eine geschlossene Gleßform zur Imprägnierung in Harz eingesetzt werden kann. Die gewickelte Vorform kann stabilisiert werden, wie beispielsweise durch Benadelung, um die Fadenwindungen zusammenzunähen, durch Aufsprühen einer Emulsion oder durch Aufbringung eines Pulverbinders, typischerweise Polyesterharz (wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist) und Annehmen der Konfigurationsmöglichkeiten, wobei die Vorform in einem Stück von dem Formteil entfernt werden kann, oder die Vorform könnte aufgeteilt werden, z.B. durch Aufteilen von dieser in zwei oder mehr Segmente, um das Entfernen von dem Formteil zu ermöglichen, bevor es in die Form eingegeben wird. Um den Vorformungsvorgang zu erleichtern, ist das Formteil vorzugsweise ein sklettartiger Aufbau und/oder er kann Oberflächenausnehmungen, z.B. Nuten, aufweisen. Als eine Alternative zu einer Imprägnierung der Vorform in einer Form könnte sie thermoplastische Fasern haben, die in ihr eingesetzt werden und die in einer Presse oder einem Autoklaven beheizt werden, um die Verbundwerkstoffherstellung zu vervollständigen.
• Figur 7 stellt in einem Querschnitt eine vorgewickelte Vorform 80 (oder ein Vorform-Segment) dar, das in einer zweiteiligen Form 81, 82 aufgenommen ist, die für ein Gießen mit thermisch härtendem Harz vorbereitet ist. Dieselbe Figur dient auch dazu, eine vorgewickelte Vorform (oder ein Vorform-Segment) darzustellen, das thermoplastische Fäden einsetzt, die in einer Presse angeordnet sind, bereit, um beheizt zu werden. Wie in unterbrochenen Linien angezeigt ist, kann die Form/Presse so geformt werden, um die Form der Vorform beim Umschließen um die Vorform zu verändern, um so konkave Bereiche durch Umkehrung von konvexen Bereichen zu bilden.
• Ein zusätzlicher Vorteil, der durch die Verwendung diskontinuierlicher Fasern erhalten wird, wie dies für das Garn erforderlich ist, das zur Durchführung der Erfindung eingesetzt wird, ist derjenige, daß die Anzahl der vorstehenden Faserenden erhöht wird, und dies ist bekannt, um die interlaminaren Eigenschaften der Verbundwerkstoffe verglichen mit den Ergebnissen, die mit kontinuierlichen Fasern erhalten werden, zu verbessern. Diese Tendenz kann durch Einsetzen kurzer Fasern, z.B. 10-40 mm lang, in dem Garn oder durch Texturierung des Garns in dem Flächenbereich des Kamms 15 (Fig. 1 und 2) erhöht werden.
• Obwohl das Fadenwickelverfahren der Erfindung hier in Bezug auf ein Gerät beschrieben ist, bei dem der Schlitten, der das Garnzuführsystem trägt, hin- und herbewegt wird, um das Garn entlang des Dorns gemäß einem vorgegebenen Wickelmuster zu verteilen, kann der Garndehnmechanismus gleichfalls bei einer Fadenwickelmaschine der Art verwendet werden, die ein Auge oder dergleichen besitzt, das durch einen Roboterarm gesteuert wird und so angeordnet ist, um das Garn um ein Formteil zu wickeln. Es wird ersichtlich werden, daß in einer solchen Ausführungsform die Garndehnung zu den Augenbewegungen synchronisiert sein wird.
• Das Garndehnprinzip kann in einer Flechtmaschine eingesetzt werden, um eine konische Vorform mit unterschiedlicher Gewichtsverteilung für einen geformten Zylinder mit sich variierenden Wanddicken herzustellen.
• Das Garndehnprinzip kann auch dazu verwendet werden, das Gewicht des Kettgarns in einem gewebten Gewebe für Kompositverstärkungen zu variieren. Demzufolge kann eine Beblankung, wie beispielsweise eine Flugzeugflügelhaut, so geformt werden, indem ein gewebtes Gewebe eingesetzt wird, das im Gewicht pro Flächeneinheit in einer Richtung schwächer wird. Das Gewebe könnte auch umwickelt und geformt werden, um eine freitragende Form, wie beispielsweise einen Telefonmast, zu bilden, wo von dem Gewicht pro Längeneinheit gefordert wird, daß es sich konstant für die optimale, strukturelle Eigenschaft ändert.
• Zusätzlich zu diesen Techniken, die schon vorstehend beschrieben sind, um die fadenartige Verstärkung in das Matrixmaterial einzubauen, können irgendwelche anderen Techniken, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, eingesetzt werden. Als Beispiele dieser Techniken können die nachfolgenden erwähnt werden:
• i) Das Matrixmaterial wird in situ innerhalb der Zwischenraume einer Verstärkungsvorform durch eine chemische Reaktion, die darin auftritt, gebildet, wobei diese Technik insbesondere dazu anwendbar ist, Fäden innerhalb einer Keramikmasse einzuschließen.
• ii) Die Matrix wird bei einer Vorform durch Dampfniederschlagen angewandt, wobei diese Technik für Komposits geeignet ist, die z.B. Kohlenstoff-Fäden innerhalb einer Kohlenstoffmatrix aufweisen, wobei der Kohlenstoff des Matrixmaterials eine unterschiedliche, molekulare Struktur zu derjenigen der Fäden besitzt. Dieses Verfahren ist auch für die Herstellung von Komposits geeignet, die Siliziumkarbid-Fäden innerhalb einer Matrix aufweisen, die aus Siliziumkarbid in einer unterschiedlichen, molekularen Form bestehen.
• iii) Der Faden wird durch eine Aufschlämmung eines Keramikpulvers in einem flüssigen Binder, z.B. Wasser, geführt, der, nachdem der Faden auf einem Dorn zum Beispiel aufgewickelt worden ist, herausgetrieben wird, wie beispielsweise durch Beheizen, falls der Binder Wasser ist, woraufhin ein Sinterschritt dann folgt, der die Beaufschlagung von Wärme und Druck einsetzt, um eine Keramikmatrix zu produzieren. Als eine Modifikation dieser Technik kann ein Sol oder Gel anstelle der Aufschlämmung zur Beaufschlagung auf die Komponente, die die Matrix bildet, verwendet werden.
• iv) Eine Verstärkungsvorform wird durch Infiltration von Metall imprägniert. Gemäß einer Varianten dieser Technik wird die Vorform in eine hohle Form eingesetzt, wonach geschmolzenes Metall, zum Beispiel eine Metall-Legierung eingegossen wird, und ein Kolben wird dann in die Form unter Druck eingesetzt, um das Metall unter Druck zu setzen, um die Vorform zu imprägnieren und gleichzeitig damit das Metall entsprechend dem Gegenstand, der erforderlich ist, zu formen. Bei einer anderen Varianten wird die Verstärkungsvorform in eine Gießform eingesetzt, die geschlossen ist und geschmolzenes Metall in sie unter Druck eingespritzt besitzt, um die Vorform zu imprägnieren und eine verstärkte Komponente mit einer Gestalt, die durch die Form festgelegt ist, zu produzieren.
• v) Zum Herstellen von Komposits mit Kohlenstoff-Fäden innerhalb einer Kohlenstoffmatrix kann eine Polymerpyrolyse verwendet werden, um die Matrix zu bilden. Die Kohlenstoff-Fasern der Vorform werden anfänglich mit einem Phenolharzbinder imprägniert/beschichtet, der zu Kohlenstoff durch die Pyrolyse reduziert wird. Die Kohlenstoffmatrix wird dann in einer Reihe aufeinanderfolgender Schritte aufgebaut, wobei jeder davon eine Hinzufügung eines organischen Alkohols gefolgt durch eine Pyrolyse, um den Alkohol zu Kohlenstoff zu reduzieren, einsetzt.
• Alle vorstehenden Techniken können in Verbindung mit Verstärkungsfäden eingesetzt werden, die einem kontrollierten Dehnen, wie dies gemäß der Erfindung vorgeschlagen ist, unterworfen worden sind, um eine erwünschte, nicht gleichförmige Festigkeit, Steifheit und/oder Dimensionscharakteristik für den vervollständigten Verbundwerkstoff zu erhalten. Die Wahl der bestimmten Technik, die in irgendeinem Fall verwendet wird, wird größtenteils durch die Materialien der Verstärkungsfäden und der Matrix, in die sie eingesetzt werden sollen, bestimmt. Die Form des Kompositgegenstands, der hergestellt werden soll, kann auch ein relevanter Faktor sein, der berücksichtigt werden muß. Natürlich werden die Materialien, die ausgewählt werden, durch die Eigenschaften, die erforderlich sind, bestimmt. Zum Beispiel sind Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komposits sehr fest und Komposits mit Siliziumkarbid-Verstärkungsfäden innerhalb einer Glasmatrix stellen eine hohe Temperaturbeständigkeit dar.
• Um irgendeinen Zweifel zu vermeiden, sollte verständlich werden, daß die Erfindung innerhalb des Schutzumfangs ein Verfahren und ein Gerät umfaßt, bei dem ein Faserband von einem Vorrat zugeführt wird und einem kontrollierten Dehnen durch eine Spanneinrichtung unterworfen wird, bevor es in ein Stapelgarn gesponnen wird, so daß das gesponnene Garn, das direkt von der Spinneinrichtung zu einer Umwandlungseinrichtung zugeführt wird, ein Gewicht pro Längeneinheit besitzt, das entlang der Länge des Garns variiert.

Claims (32)

1. Verfahren zum Herstellen eines verstärkten Verbundwerkstoffs, wobei ein mittels Stapelgarn verstärkter Faden in eine Matrix eingebaut wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden ein Stapelgarn ist, das aus diskontinuierlichen Fasern mit einem ausreichend geringen Twist gesponnen ist, um eine Verlängerung des Garns unter Spannkräften zu ermzglichen, und das Garn einem kontrollierten Dehnen unterworfen wird, wodurch das Gewicht pro Längeneinheit des Garns entlang der Länge davon variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Garn, nachdem es einer kontrollierten Dehnung unterworfen ist, mit mindestens einem zusätzlichen Faden eines im wesentlichen konstanten Gewichts pro Längeneinheit kombiniert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zusätzliche Faden eine kontinuierliche Faser aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zusätzliche Faden ein im wesentlichen nicht dehnbares, gesponnenes Garn aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Garn, das einem kontrollierten Dehnen unterworfen worden ist, konsolidiert wird, um eine Verlängerung davon zu minimieren.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Garn durch Verdrillen konsolidiert wird, um entweder einen "falschen Drill" oder einen "Eigendrill" einzuschließen, oder durch "Umwicklungs-Spinnen".

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Garn von einer Zuführung abgezogen und auf einen sich drehenden Dorn (1) aufgewickelt wird und das Dehnen des Garns gemäß der Drehung des Dorns kontrolliert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Garn, das einem kontrollierten Dehnen unterworfen wird, auf eine formende Vorrichtung (1) über eine bewegbare Führung (17) gerichtet wird, und das Dehnen des Garns gemäß der Bewegung der Führung (17) kontrolliert wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix Harz aufweist und das Harz auf das Garn auf das kontrollierte Dehnen davon folgend durch Führen des Garns durch eine Flüssigharz-Aufbringungseinrichtung (16) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Garn, das einem kontrollierten Dehnen unterworfen ist, dazu verwendet wird, eine Verstärkungsvorform vorzubereiten.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Matrix Harz aufweist, wobei zur Vorbereitung der Vorform thermoplastische Fasern mit den Verstärkungsfasern eingesetzt werden und die Vorform erwärmt wird, um den Thermoplast zu schmelzen und dadurch die Harzmatrix zu bilden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Vorform in das Matrixmaterial durch einen Formschritt eingebaut wird, und zwar durch Formen des Matrixmaterials in situ innerhalb der Lücken der Vorform, und zwar durch Aufbringung des Matrixmaterials auf die Vorform durch Dampfniederschlagen, durch Sintern, um eine keramische Matrix zu bilden, durch Infiltration mit geschmolzenem Metall oder durch chemische Pyrolyse.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Vorform in einer Presse oder einem Autoklaven beheizt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Vorform durch ein Fadenwickeln auf ein Formteil, durch Stabilisieren der gewickelten Vorform, während sie sich auf dem Formteil befindet, und durch Entfernen der Vorform von dem Formteil vorbereitet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Vorform durch Wickeln auf einen Dorn vorbereitet wird und wobei entweder die gewickelte Masse auf dem Dorn beheizt oder die Fasern, unmittelbar bevor sie auf den Dorn aufgewickelt werden, beheizt werden, um das thermoplastische Material zu schmelzen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Garn, das einem kontrollierten Dehnen unterworfen wird, in einem Bündel Fäden enthalten ist, das zu einer Pultrusions-Ziehdüse zugeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Ziehdüsenöffnung einstellbar ist und gemäß dem Gewicht pro Langeneinheit des Fadenbündels, das zu der Ziehdüse zugeführt wird, kontrolliert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei kontinuierliche Fäden nahe der Oberfläche des Verbundwerkstoffs, der hergestellt wird, konzentriert werden und Stapelgarne in dem Kern des Verbundwerkstoffs konzentriert werden.

19. Verfahren nach Anspruch 9, wobei im Verlauf der Herstellung des Verbundwerkstoffs die flüssige Harzzusammensetzung geändert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 9 oder 19, wobei im Verlauf der Herstellung das Harz durch Hinzufügen eines Füllers zu dem Harz und/oder durch Variieren der Menge des Füllers, der dort hinzugefügt wird, geändert wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Garn, das einem kontrollierten Dehnen unterworfen wird, dazu verwendet wird, ein Band, eine geschlossene Vorform oder ein gewebtes Teil vorzubereiten.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Matrix Harz aufweist, wobei ein flexibles Band, das Verstärkungsfäden in ungehärtetem oder teilweise gehärtetem Harz besitzt, vorbereitet wird, wobei das Band auf eine Form aufgelegt und der Härtprozeß vervollständigt wird.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dehnen in einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Stufen ausgeführt wird.

24. Gerät zur Verwendung beim Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, das eine Einrichtung zum Aufnehmen eines Stapelgarns von einem Vorrat und Führung des Garns entlang eines Zuführwegs zu einer Umwandlungseinrichtung aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß die Garnspanneinrichtungen (11, 12 und 13, 14) entlang des Pfads voneinander beabstandet und so angeordnet sind, um das Garn unter einer Spannung dazwischen zu halten, und daß Steuereinrichtungen (30) zur Einstellung der Spanneinrichtung vorgesehen sind, um die Spannung, die auf das Garn ausgeübt wird, zu variieren, wenn das Garn durch die Spanneinrichtungen läuft, wodurch sich das Gewicht pro Längeneinheit des Garns, das zu der Umwandlungseinrichtung zugeführt wird, entlang des Garns in einer vorbestimmten Art und Weise variiert.

25. Gerät nach Anspruch 24, wobei die Spanneinrichtung ein Paar Vorrichtungen (11, 12; 13, 14) aufweist, die das Garn ergreifen.

26. Gerät nach Anspruch 25, wobei eine oder beide Vorrichtungen eine Walze aufweisen, wobei die Steuereinrichtung so angeordnet ist, um die Geschwindigkeit der Drehung der Walze zu steuern.

27. Gerät nach Anspruch 25, wobei jede Vorrichtung einen Klemmspalt aufweist, der eine angetriebene Walze (11, 13) und eine Gegenwalze (12, 14) zum Ergreifen des Garns dazwischen aufweist, wobei die Steuereinrichtung so betreibbar ist, um die relativen Drehgeschwindigkeiten der antreibenden Walzen (11, 13) zu variieren.

28. Gerät nach Anspruch 27, wobei die Geschwindigkeit der Drehung der angetriebenen Walze (11) des einlaufseitigen Klemmspalts hinsichtlich der Geschwindigkeit der Drehung der angetriebenen Walze (13) des auslaufseitigen Klemmspalts zur Einstellung der Spannung in dem Garn gesteuert wird.

29. Gerät nach Anspruch 27 oder 28, wobei mindestens ein Zwischen-Walzenpaar (18, 19) zwischen dem einlaufseitigen Klemmspalt und dem auslaufseitigen Klemmspalt für das Garn, das in zwei oder mehr Stufen gedehnt werden soll, angeordnet ist.

30. Gerät nach einem der Ansprüche 24 bis 29, das eine Einrichtung zum Aufbringen eines flüssigen Harzes auf das Garn und eine Einrichtung zum Einstellen der Harzaufbringeinrichtung umfaßt, um die Menge des Harzes, das gemäß dem Gewicht pro Längeneinheit des Garns, das zu der Umwandlungseinrichtung zugeführt wird, zu steuern.

31. Gerät nach Anspruch 30, wooei die Harzaufbringeinrichtung eine Walze (30) aufweist, die eine Rakel (25) besitzt, die damit zusammenarbeitet, und wobei die Einstelleinrichtung so betreibbar ist, um die Position der Rakel relativ zu der Walze (20) zu variieren.

32. Gegenstand, der aus einem Verbundmaterial besteht, das Verstärkungsfäden innerhalb einer Matrix aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Fäden ein Stapelgarn ist, das aus diskontinuierlichen Fasern gesponnen ist und ein Gewicht pro Längeneinheit aufweist, die sich so entlang des Fadens variiert, daß der Gegenstand eine vorbestimmte, gleichförmige Stärke und/oder Steifigkeit und/oder dimensionsmäßige Charakteristik besitzt.