Faserorientierung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur konti ^¬ nuierlichen Herstellung von Stapelfasergelegen mit gerichte- ter Faserorientierung, bei dem die Gelege durch kontinuierliches Täfeln von gekrempeltem Faserflor unter definierten Ablegewinkeln erzeugt werden.

Nach einem derartigen Verfahren hergestellte Stapelfasergele- ge werden beispielsweise verwendet für die Herstellung hoch ^¬ fester faserverstärkter Kunststoffverbünde , wie sie in Wind ^¬ kraftanlagen, Flugzeugbau und Automobilindustrie Verwendung finden. Insbesondere in Beanspruchungsrichtung weisen diese Verbünde hohe Verbundfestigkeiten und Steifigkeiten auf, wozu eine definierte Faserorientierung erforderlich ist. Neben einer definierten Orientierung der endlichen Fasern haben die Gelege auch eine definierte Flächenmasse.

Stand der Technik

Auf dem Gebiet der Faserverbundtechnik wurden in den letzten Jahren mit einer Reihe von Anwendungen in Windkraftanlagen, Flugzeugbau und Automobilindustrie viele neue Entwicklungen in der Praxis umgesetzt. Im Zusammenhang mit dem verstärkten Einsatz von Faserverbunden bekommt auch die Etablierung wirtschaftlicher Verarbeitungsmethoden einen hohen Stellenwert. Das trifft insbesondere auf die Fertigung der Faserverbund ^¬ halbzeuge (Herstellung von Geweben, Vliesen und Gelegen) zu.

Fasergelege haben bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen neben den bekannten textilen Halbzeugen wie Rovings, Geweben und Vliesen eine sehr große Bedeutung. Durch die gestreckte und hochorientierte Faserlage können mit UD-Gelegen und Multiaxialgelegen sehr hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei geringem Gewicht der Bauteile erreicht werden. Die Gelege werden derzeit aus einer Vielzahl von Endlosrovings mit Hilfe so genannter Legeanlagen hergestellt. Ein derarti ^¬ ges Verfahren ist z.B. im Patent EP2028307 beschrieben. Mit den bereits bekannten Legeanlagen können die Faserorientie- rungen je nach Anforderungsfall genau eingestellt werden. In der Regel werden die Verbünde mit einem symmetrischen Gesamtaufbau aus unterschiedlichen Einzelschichten, die in unterschiedlichen Winkeln abgelegt wurden, hergestellt (0°, 90°, +45°, -45°) . Entsprechend erfolgt auch der Schichtenaufbau der Mul tiaxialgelege . Charakteristisch für den klassischen Gelegeaufbau ist die Verwendung von endlos langen Verstärkungsfasern. Bei den derzeit eingesetzten Legeanlagen ist eine hohe Zugfestigkeit der Rovings erforderlich, da für die Realisierung einer gestreckten Faserlage hohe Fadenspannungen aufgebracht werden müssen. Eine kontinuierliche Zuführung von endlich langen Fasern oder Halbzeugen aus endlich langen Fasern mit geringer Zugfestigkeit ist mit den konventionellen Legeanlagen nicht machbar. Eine weitere Möglichkeit, definierte Faserorientierungen zu erzeugen, ist das Wickelverfahren.

Die Nutzung dieser Technologie zur Herstellung von multiaxialen Gelegen wird in Patent DE 102006057633 beschrieben. Das vorbekannte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelebene und die Bevorratung des monoaxialen Geleges umei ^¬ nander rotieren, um ein Gelege mit einer definierten Faserorientierung zu erzeugen. Der Winkel der Faserorientierung wird durch den Winkel der Längsachse der Wickelebene in Bezug auf die Schwerkraftrichtung eingestellt. Bei diesem Prinzip kommen allerdings auch Endlosrovings oder endlose Monoaxial- gelege zum Einsatz. Dabei werden hohe Zugkräfte auf das zu wickelnde Material aufgebracht. Eine Zuführung und Ablage von endlichen Fasern ist bei diesem Verfahren nicht möglich. Neben der Anwendung von Endlosfasern ist für die Herstellung von Verbundwerkstoffen aber auch der Einsatz von Fasern mit begrenzten Faserlängen (Stapelfasern) interessant. Aus diesem Grund wurden in der Vergangenheit einige Entwicklungen zu diesem Thema bekannt. Eine Variante der Verarbeitung von endlich langen Fasermaterialien ist das Tapelegen, wo auch Gelege aus Faserabschnit ^¬ ten erzeugt werden können und die spannungsfreie Ablage von Verstärkungsmaterialien möglich ist.

Hierzu gibt es eine Reihe von bekannten technischen Lösungen wie z.B. in den Patenten DE10301646, DE102006035847 beschrieben. Allerdings wird hier nur das diskontinuierliche Ablegen von Gelegestücken beschrieben. Eine kontinuierliche spannungsfreie Ablage von endlich langen Fasern ist in diesem Prozess nicht möglich. Bekannt ist auch die Kombination von Vlieslegeprozessen und klassischer Gelegeherstellung. In Patent GB2012671 wird ein Verfahren beschrieben, wo endlich lange Carbonfasern mit Endlosfasern kombiniert werden. Allerdings kann mit diesem Verfahren keine definierte Orientierung der endlich langen Fasern erreicht werden.

Aus der Textilindustrie ist die kontinuierliche Ablage von endlich langen Fasern mittels Täfler bekannt. Die Herstellung von querorientierten Faservliesen und Kreuzlagenvliesen wird beispielsweise bei Joachim Lünenschloss et al.: Vliesstoffe. Georg Thieme Verlag, 1982, S.94 - 104 ISBN: 3-13-609401-8 be ^¬ schrieben. Auf die dortigen Ausführungen und Abbildungen sowie die Definition der Fachbegriffe wird hiermit zum allge ^¬ meinen Verständnis der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. Bei diesen Prozessen wird der von einer Krempelmaschine erzeugte Faserflor mehrfach übereinander gelegt, um eine hinsichtlich Flächenmasse und Legebreite definierte Vorlage für die Vliesherstellung zu erzeugen. Ein sehr häufig angewendetes Prinzip ist das Quertäfeln von Faserflor. Dabei wird der von der Krempel erzeugte Flor auf ein kontinuierlich laufendes Transportband abgelegt, welches in einem Winkel von 90° zur Produktionsrichtung der Krempel angeordnet ist. Die Ge ^¬ schwindigkeit der Ablage auf dem Band, die Legebreite und die Geschwindigkeit des Transportbandes bestimmen die Flächenmas- se des Geleges, welches auf dem Band erzeugt wird. Bei dem Ablegen des Flors auf dem Transportband stellt sich in Abhän ^¬ gigkeit von den verschiedenen Geschwindigkeiten und der Legebreite ein bestimmter Winkel der Faserorientierung innerhalb des Geleges ein. Bedingt durch die Bauart der Täfler und die üblichen Geschwindigkeiten bei der Florherstellung können verschiedene Winkel realisiert werden. Allerdings sind die Winkel stets deutlich kleiner als 45°. Charakteristisch für das Täfeln von Faserflor ist vor allem, dass durch die kontinuierliche Ablage auf dem laufenden Transportband eine Vor- zugsorientierung in 2 Richtungen (Undefinierter Winkel) erzeugt wird. Dadurch ist dieses Prinzip zur Erzeugung von Gelegen mit einer definierten Faserorientierung (z.B genau unter den Winkeln +45° oder -45°) nicht möglich. In der US 5,476,703 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Faserflor mittels eines Täflers kontinuierlich mehrschichtig übereinander abgelegt wird, wobei zunächst die Aus ^¬ richtung der einzelnen Lagen 75 ° bis 90 ° zur Längsausdehnung des Vlieses beträgt und danach das Vlies mit Hilfe eines Nadelstreckfeldes verstreckt wird, um den Winkel der Faser ^¬ ausrichtung im Vlies zu verändern. Allerdings ist mit diesem Verfahren keine exakt definierte Faserorientierung in vorgegebenen Winkeln möglich, sondern nur eine Angleichung der Vlieseigenschaften in Längs- und Querrichtung. Die Faser- Orientierung ist bei diesem Verfahren nicht definiert einstellbar und kann im Vlies durch unterschiedliche Verstreckgrade lokal unterschiedlich sein.

In der DE 32 42 539 A 1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Flor- und Vliesbahnen beschrieben, deren Breite die Arbeitsbreite der eigentlichen Vliesbildungsmaschinen übersteigt. Dabei werden zwei Florbahnen jeweils um 90 ° zur Arbeitsrichtung der Vliesbildungsmaschine umgelenkt, wobei die Umlenkun- gen in einem Abstand zueinander angeordnet sind, die der Breite einer der Florbahnen entspricht, so dass die beiden Florbahnen nach der Umlenkung nebeneinander liegen und ein Florband mit doppelter Breite entsteht. Hier geht es um die Vergrößerung der erzeugbaren Warenbreite. Ein gerichtetes Ablegen von Stapelfasern unter definierten Winkeln ist mit die- sem bekannten Verfahren nicht möglich.

In der DE 103 45 953 AI ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Stapelfasergelegen mit gerichteter Faserorientierung der eingangs genannten Gattung beschrieben. Bei diesem Verfahren wird mittels eines Quertäflers ein Vliesstoff hergestellt, wobei allerdings dem Quertäfler eine Kombination aus einem Filamentflor und einem Faserflor zugeführt wird, so dass in dem Vliesstoff abwechselnd übereinan ^¬ der Lagen aus endlichen und endlosen Fasern liegen und es sich somit um kein reines Stapelfasergelege handelt. Es wer ^¬ den hier keine gerichteten Faserorientierungen erzeugt. Der Quertäfler ist wie üblich in einem Winkel von 90 ° zur Vorschubrichtung des Transportbandes ausgerichtet und letzteres hat einen kontinuierlichen Vorschub.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die kontinuierliche Herstellung von Stapelfasergelegen aus endlich langen Verstärkungsfasern mit gerichteter Faserorien- tierung zu ermöglichen. Diese Stapelfasergelege werden verwendet für die Herstellung hochfester faserverstärkter KunstStoffverbünde , wie sie in Windkraftanlagen, Flugzeugbau und Automobilindustrie Verwendung finden. Wichtig ist dabei, dass insbesondere in Beanspruchungsrichtung diese Verbünde hohe Verbundfestigkeiten und Steifigkeiten aufweisen, wozu eine definierte Faserorientierung erforderlich ist. Neben einer definierten Orientierung sollen die Gelege auch eine definierte Flächenmasse besitzen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Ab ^¬ legen des Faserflors auf ein getaktetes Transportband er ^¬ folgt, welches während der kontinuierlichen Faserablage unter dem vorgegebenen Winkel still steht und erst nach Ablegen der vorgesehenen Legebreite um eine definierte Distanz (Legever- satz) bewegt wird. Dadurch ist die Faserorientierung innerhalb der vorgegebenen Legebreite konstant. Die Ablage des Fa ^¬ serflors erfolgt somit in einem genau definierten Winkel.

Die gewünschte Orientierung wird durch die Ausrichtung der Krempel und des Täflers in dem vorgegebenen Winkel zu dem Transportband erreicht (Bild 1) .

Vorzugsweise sind wenigstens eine Krempelmaschine, welche Faserflor erzeugt und der dieser nachgeschaltete Täfler tels dessen die Faserablage auf dem Transportband erfolgt, in einem spitzen Winkel zur Vorschubrichtung des getakteten Transportbandes angeordnet. Besonders bevorzugt sind Winkel der Ausrichtung im Bereich von zwischen ca. 30 ° bis ca. 60 "zur Vorschubrichtung des Transportbandes, ganz besonders be ^¬ vorzugt sind Winkel in der Größenordnung im Bereich von etwa 40 ° bis etwa 50 °, also Winkel um die 45 ° +/- einige Win ^¬ kelgrade. Mit den herkömmlichen Täflern, welche mit konti ^¬ nuierlich bewegtem Transportband arbeiten, können diese Win- kel in der Regel nicht erreicht werden.

Erfindungsgemäß kann mit einer Krempel und nachgeschaltetem Täfler gearbeitet werden, es ist aber auch möglich, mehrere Krempelmaschinen mit nachgeschalteten Täflern zum Einsatz zu bringen, die in den gewünschten Winkeln zum Transportband angeordnet sind. Dadurch kann die Flächenmasse des zu erzeugen ^¬ den Geleges erhöht werden. Außerdem können so gleichzeitig mehrere Legewinkel erzeugt werden. Das ermöglicht einen sehr wirtschaftlichen Legeprozess. Bevorzugt ist somit wenigstens eine erste Krempelmaschine mit einem dieser nachgeschalteten ersten Täfler unter einem ersten für die Faserablage vorgesehenen spitzen Winkel gegenüber dem Transportband angeordnet sind und wenigstens eine zweite Krempelmaschine mit einem dieser nachgeschalteten zweiten Täfler ist in einem zweiten für die Faserablage vorgesehenen gegenüber dem Transportband spitzen Winkel angeordnet, wobei dieser zweite Winkel rech ^¬ twinklig zu dem ersten Winkel ausgerichtet ist.

Bevorzugt arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren so, dass jeweils in einer Hinbewegung des Täflers der Faserflor auf das Transportband abgelegt wird, danach das Transportband um eine definierte Distanz (Legeversatz) bewegt wird und danach in einer Herbewegung des Täflers wiederum bei stillstehendem Transportband erneut eine Ablage des Faserflors erfolgt.

Man kann beispielsweise vorsehen, dass der oder die Täfler vor einer Bewegungsumkehr über den Rand des Transportbands hinaus fährt, etwa zum Zeitpunkt dieser Bewegungsumkehr das Transportband um die definierte Distanz in Vorschubrichtung bewegt wird und nach der Ablage des Faserflors der Längsrand- bereich des Geleges beschnitten wird. Dies hat den Vorteil, dass ein durch die kurze Vorschubbewegung des Transportbandes entstandener etwaiger Verzug des Geleges im Randbereich dadurch entfernt wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann als Ausgangsmaterial wenigstens ein Faserflor aus einem Gemisch von Stapelfasern mit unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere umfassend endliche Verstärkungs fasern und/oder Bindefasern, eingesetzt werden oder es können wenigstens zwei Faserflore mit unterschiedli ^¬ cher Zusammensetzung und/oder unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere umfassend endliche Verstärkungsfasern und/oder Bindefasern abgelegt werden, wenn beispielsweise mit zwei Krempelmaschinen und jeweils nachgeschaltetem Täfler gearbeitet wird.

Der Faserflor besteht bevorzugt aus endlich langen Fasern einer Länge im Bereich von 25 bis 150 mm. Der Faserflor kann insbesondere nachträglich zur späteren Verfestigung mit Bindemitteln versehen werden oder auch aus einem Gemisch von Stapelfasern mit unterschiedlicher Zusammensetzung oder Eigenschaften bestehen (z.B. Verstärkungsfasern und Bindefasern) . Durch die bevozugte Verwendung von Bindemitteln oder thermoplastischen Bindefasern wird eine anschließende thermische Verfestigung des Geleges möglich. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Naturfasern oder hochfeste Fasern wie Aramid-, Glas-, Basalt- oder Kohlenstofffasern sein. In diesem Prozess ist es beispielsweise auch möglich, endlich lange Verstärkungsfasern aus Recyclingprozessen für die Herstellung von Gelegen mit definierter Faserorientierung und Flächenmasse einzusetzen.

Ein Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit, in einem kon- tinuierlichen Prozess mit hohem Durchsatz Gelege aus Stapel ^¬ fasern für Verbundwerkstoffe mit konstanten Ablegewinkeln, hoher Faserorientierung und definierter Flächenmasse zu erzeugen .

Der von der Krempel gebildete Faserflor weist bevorzugt eine hohe Längsorientierung auf, so dass in einem Faserkunststoff- verbünd (FKV) eine Anisotropie der Verbundfestigkeiten und/oder Verbundsteifigkeiten beispielsweise in einem Bereich von 1:1,5 bis 1:10 erreicht werden kann. Das erfindungsgemäß hergestellte Gelege kann mit mindestens einer weiteren Funktions- oder Trägerschicht kombiniert wer ^¬ den und lässt sich somit für verschiedenste Anwendungsgebiete anpassen . Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass sich jeweils parallel zueinander abge ^¬ legte benachbarte Lagen des Faserflors in ihren Randbereichen überlappen. Ein geringfügiges Maß der Überlappung kann hier bereits vorteilhaft sein. Dadurch erzielt man einen besseren Verbund der einzelnen Lagen in dem herzustellenden Stapelfasergelege .

Man kann auch einen Niederhalter verwenden, um einen Verzug des abgelegten Faserflors im Randbereich des Geleges zu ver- meiden.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht ein winkelgenaues Ab ^¬ legen von parallelen benachbarten Lagen des Faserflors mit vergleichsweise hohen Ablegegeschwindigkeiten. Die Krempelma- schine und der dieser nachgeschaltete Täfler geben aufgrund ihrer Ausrichtung zum Transportband einen genauen Winkel der Faserorientierung vor. Legt man zwei Faserflore mit zwei vo ^¬ neinander unabhängig arbeitenden Krempelmaschinen und Täflern in einem Winkel von 90 ° zueinander in zwei Positionen und zwei Lagen übereinander auf dem Transportband ab, lässt sich ein isotropes Stapelfasergelege mit definierter Ausrichtung der Fasern schaffen.

Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen be- vorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erge ^¬ ben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich ^¬ nung näher beschrieben.

Beispiele

Ausführungsbeispiel 1:

Ein Faserflor mit einer hohen Faserlängsorientierung und einer Flächenmasse von 30 g/m ² wird über eine Krempelmaschine mit Im Arbeitsbreite erzeugt. Dieser Faserflor wird mit einem Horizontaltäfler in einer Legebreite von 2m auf ein getakte- tes Transportband abgelegt. Dabei ist die Krempel mit dem nachgeschalteten Täfler im +45° Winkel zur Abzugsrichtung des Transportbandes angeordnet. Während der Faserablage steht das Transportband still. Nach Ablegen der vorgesehenen Breite (Hinbewegung des Täflers) wird das Transportband um 0,7m vor- wärts bewegt. Danach erfolgt wiederum die Ablage des Faser ^¬ flors (Herbewegung des Täflers) . Auf diese Art und Weise kann ein Gelege mit einer +45° Faserorientierung und einer Flächenmasse von 60g/m ² erzeugt werden. Ausführungsbeispiel 2:

Mit Hilfe von 2 Krempelmaschinen werden 2 Faserflore mit hoher Faserlängsorientierung mit je Im Arbeitsbreite erzeugt. Die Faserflore werden mit Horizontaltäflern in einer Legebreite von 3 m auf ein getaktetes Transportband abgelegt. Da- bei sind die Krempelmaschinen mit den nachgeschalteten Täflern im ±45° Winkel zur Abzugsrichtung des Transportbandes angeordnet. Während der Faserablage steht das Transportband still. Nach Ablegen der vorgesehenen Breite (Hinbewegung des Täflers) wird das Transportband um 0,7 m vorwärts bewegt. Da- nach erfolgt wiederum die Ablage des Faserflors (Herbewegung des Täflers) . Auf diese Art und Weise kann ein Gelege mit ei ^¬ ner ±45° Faserorientierung und einer Flächenmasse von 120g/m ² erzeugt werden. Bezugs zeichenliste

1 Transportband

2 Krempel 1

5 3 Täfler 1

4 Krempel 2

5 Täfler 2