GOMMEL, Heide (Brahmsstraße 16, Ditzingen, 71245, DE)
LÜKEN, Johannes (Lükenstiege 17, Wettringen, 48493, DE)
PIECHATZEK, Peter (Peter-Schumacher-Str. 134, Kerpen, 50171, DE)
GOJNY, Florian (Lärchenweg 5a, Thierhaupten, 86672, DE)
GOMMEL, Heide (Brahmsstraße 16, Ditzingen, 71245, DE)
LÜKEN, Johannes (Lükenstiege 17, Wettringen, 48493, DE)
PIECHATZEK, Peter (Peter-Schumacher-Str. 134, Kerpen, 50171, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung einer Faserlage mit einer Längsrichtung, wobei das Verfahren darauf beruht, dass parallel geführte Faserbündel gleicher oder unterschiedlicher Faserfeinheit überspreizt, überlappend zusammengeführt und hierdurch mechanisch verfestigt werden, wobei mindestens ein Faserband als Einrichtungslage mit einer definierten Breite ohne zusätzlichen Fixierstoff und/oder zusätzliche mechanische oder physikalische Fixierungsmethoden erhalten wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Überspreizen in einer oder mehrerer Ebenen über runde und eckige Umlenkrollen, die feststehend gelagert sind, ausgeführt wird. 3. Verfahren nach einem oder mehrerer der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Faserlage zu mehr als 70 Gew.-%, bevorzugt zu mehr als 85 Gew.-%, besonders bevorzugt zu mehr als 99 Gew.-% aus Fasern besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstofffasern, Vorstufenfasern von Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Glasfasern und deren Gemischen, bezogen auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Faserlage. 4. Verfahren nach einem oder mehrerer der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Faserlage ein flächenbezogenes Gewicht in einem Bereich von 50 g/m2 bis 800 g/m2, vorzugsweise in einem Bereich von 100 g/m2 bis 300 g/m2 , aufweist. 5. Verfahren nach einem oder mehrerer der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Faserbündel eine Anzahl an Filamenten in einem Bereich von 0,5 K (500 Filamente) bis zu 500 K (500 000 Filamente), bevorzugt in einem Bereich von 1 K (1000 Filamente) bis zu 400 K (400 000 Filamente), besonders bevorzugt in einem Bereich von 12 K (12 000 Filamente) bis zu 60 K (60 000 Filamente) aufweist. 6. Fasergelege, bestehend aus mindestens einer oder mehrerer Einrichtungslagen mit unterschiedlicher Orientierung, erhältlich durch Bereitstellung einer Anordnung von mindestens einer Faserlage mit einer Längsrichtung, die teilweise oder vollständig übereinander angeordnete Einrichtungslagen aufweist, ohne dass ein zusätzlicher Fixierstoff und/oder zusätzliche mechanische oder physikalische Fixiermethoden benötigt werden und wobei mindestens eine Faserlage zu mehr als 70 Gew.-%, bevorzugt zu mehr als 85 Gew.-%, besonders bevorzugt zu mehr als 99 Gew.-% aus Fasern besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstofffasern, Vorstufenfasern von Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Glasfasern, Polymerfasern (z. B. Aramid) und deren Gemischen, bezogen auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Faserlage. 7. Fasergelege nach Anspruch 6, wobei die unterschiedliche Orientierung der Einrichtungslagen Winkel gleich -90° bis +90 mit der Längsrichtung der multiaxialen Lage umfasst. 8. Fasergelege nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dass auch Wirrfaserlagen, Vliese, Vliesstoffe oder Wirrfaser- Vliesstoffe oben, unten oder mitten in den Fasergelegen enthalten sein können. 9. Verwendung eines Fasergeleges nach einem der Ansprüche 6 bis 8 für Windkraftanlagen, für Automobile, Schiffe, für die Luft- und Raumfahrt, für Schienenfahrzeuge und den sonstigen Transportsektor, Sportgeräte sowie den Konstruk- tions- und Bausektor. 10. Element oder Vorrichtung, umfassend ein Fasergelege nach einem oder mehrerer der Ansprüche 6 bis 7, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Windkraftanlagen, Automobilen, Schiffen, Luft- und Raumfahrt, Schienenfahrzeugen und den sonstigen Transportsektor, Sportgeräte sowie den Konstruktions- und Bausektor. |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fasergelegen, sowie Fasergelege und deren Verwendung.
Fasergelege sind im Vergleich zu Geweben preisgünstig herstellbar. Gleichzeitig weisen Fasergelege jedoch nur einen sehr schlechten Zusammenhalt auf, was eine Verarbeitung von Fasergelegen, insbesondere im technischen Maßstab stark erschwert. Zur Verbesserung des Zusammenhalts von Fasergelegen können beispielsweise Faserlagen verklebt werden, durch warmschmelzende Bindefäden verknüpft oder verwirkt werden oder durch Nadelung miteinander verbunden werden. Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs auf Basis einer Faserstruktur unter Verwendung eines chemischen Bindemittels ist beispielsweise in der Patentschrift FR 1 394 271 beschrieben.
Eine Verbindung von Faserlagen durch Nadelung führt jedoch nur zu vergleichsweise gering belastbaren Fasergelegen, während eine Verbindung durch Verklebung oder unter Verwendung warmschmelzender Bindefäden die Gefahr in sich birgt, dass bei höheren Temperaturen ein Zusammenhalt des Fasergeleges in ausreichender Stärke nicht mehr gegeben ist, da der Klebstoff oder die warmschmelzenden Bindefäden schmelzen oder sich zersetzen. Nach einem Schmelzen oder Zersetzen von Klebstoff oder warmschmelzenden Bindefäden können zudem Rückstände auf dem Fasergelege zurückbleiben.
Im vorliegenden Gebiet der Technik besteht daher ein Bedarf nach der Entwicklung eines Verfahrens, das die Herstellung von Fasergelegen erleichtert und bei dem die einzelnen Ausgangsmaterial-Komponenten des Fasergeleges aufeinander abgestimmt sind, sowie der Bedarf nach einem deutlich verbesserten Gelege, bei dem eine gleichmäßige Verteilung der Filamente auf die Breite erreicht wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Herstellung eines Geleges, bei dem lokale Ansammlungen von Fasern vermieden und die endgültigen Bauteileigenschaften verbessert werden.
Durch das Aufspreizen von Filamentgarn aus Kohlenstoff, Glas, Keramik oder Polymer (z. B. Aramid) soll eine gleichmäße Verteilung der Filamente auf die Breite erreicht werden.
Es soll ein Material ohne zusätzlichen Fixierstoff durch Aufspreizen von parallel geführten Faserbündeln gleicher oder unterschiedlicher Faserfeinheit zu einem Faserband als Einrichtungslage auf eine definierte Breite hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Gelege soll aus abgelegtem Fasermaterial in Form von Faserbündeln oder Multifilamenten und dem zum Verbinden der einzelnen Einrichtungslagen benötigten Bindefaden (z. B. Wirkfaden) bestehen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine mechanische Verfestigung des Faserbundes, wobei die Faserstruktur der vorgelegten Faser einbezogen und zur Stabilisierung des Faserverbandes genutzt wird. Als Beispiel ist eine Vorrichtung zur mechanischen Verfestigung von Faserlagen in Fig. 1 gezeigt. Die Anzahl der erfindungsgemäßen vorgelegten Filamentgarne richtet sich dabei nach dem zu erzielenden Flächengewicht in der Einrichtungslage.
Optional kann zur Adjustierung bereits bei der Faserherstellung der Schlichtegehalt und die Faseroberflächenbeschaffenheit (beispielsweise Aktivierung der Faseroberfläche) angepasst werden.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung einer Faserlage mit einer Längsrichtung, wobei das Verfahren darauf beruht, dass parallel geführte Faserbündel gleicher oder unterschiedlicher Faserfeinheit überspreizt, überlappend zusammengeführt und hierdurch mechanisch verfestigt werden, wobei mindestens ein Faserband als Einhchtungslage mit einer definierten Breite ohne Applizierung eines zusätzlichen Fixierstoffs und/oder zusätzliche mechanische oder physikalische Fixierungsmethoden erhalten wird.
Verschiedene Titer der Faser ermöglichen besonders bevorzugt unterschiedliche Spreizbreiten der einzelnen Faserbündel. Je höher der Titer ist, desto größer ist die mögliche Spreizbreite.
Vorzugsweise muss keine zusätzliche Queradhäsion durch Einbringen von Klebegittern oder Klebenetzen aufgebracht werden. Adhäsionskräfte sind Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen unterschiedlicher Stoffe zwischen mehreren Phasen. Adhäsionskräfte bewirken die Haftreibung, das Aneinanderhaften von verschiedenen Stoffen und die Benetzung.
Die Filamentgarne der vorliegenden Erfindung werden entsprechend der benötigten Anzahl parallel nebeneinander aufgespreizt, wobei die Filamentgarne auch partiell überlappen können. Bei Filamentgarnen handelt es sich um endlose Fäden, in der Regel aus synthetischen, natürlichen oder anorganischen Rohstoffen, aus Spinndüsen gesponnener sogenannter Filamente.
Durch das Überspreizen des Materials wird eine gleichmäßige Ablage der Faserbündel ermöglicht. Ein Faserbündel besteht dabei aus Faserbändern, die jeweils dicke, linienförmige Gebilde aus vielen Fasern darstellen, z. B. bevorzugt 5000 bis 400000 Fasern und besonders bevorzugt 50000 Fasern im Bandquerschnitt.
Das erfindungsgemäße Spreizen wird in mehreren, bevorzugt zwei bis fünf Ebenen über runde und/oder eckige Umlenkrollen, die feststehend gelagert sind, ausgeführt. Die getrennt gespreizten Ebenen werden dann überlappend zusammengeführt. Der Verlauf der Spreizung erfolgt bevorzugt über beheizte Umlenkstellen und verschiedene Einrichtungen, die das Material mit Temperatur, Druck und Feuchtigkeit beaufschlagen können. Vorzugsweise werden einzelne Umlenkstellen mit Luftoder Saugdüsen in den Ablauf integriert. Bei der Spreizung ist eine optionale Überlappung der Fasern von mindestens 1 % bis maximal 100% möglich, bevorzugt von 5% bis 50% und besonders bevorzugt von 10% bis 20%.
Bevorzugt besteht eine Faserlage zu mehr als 70 Gew.-%, besonders bevorzugt zu mehr als 99 Gew.-% aus Fasern, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstofffasern, Vorstufenfasern von Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Glasfasern, Polymerfasern (z. B. Aramid) und deren Gemischen, bezogen auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Faserlage.
Es ist bevorzugt, dass mindestens eine Faserlage ein flächenbezogenes Gewicht in einem Bereich von 50 g/m 2 bis 800 g/m 2 aufweist, besonders bevorzugt ist ein Bereich von 100 g/m 2 bis 300 g/m 2 , wobei sich aus diesem besonders bevorzugten Bereich beispielsweise biaxiale Gelege mit 200 g/m 2 bis 600 g/m 2 herstellen lassen.
Vorzugsweise weist mindestens ein Faserbündel eine Anzahl an Filamenten in einem Bereich von 0,5 K (500 Filamente) bis zu 500 K (500000 Filamente) auf, bevorzugt in einem Bereich von 1 K (1000 Filamente) bis zu 400 K (400000 Filamente), besonders bevorzugt in einem Bereich von 12 K (12000 Filamente) bis zu 60 K (60000 Filamente).
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Fasergelege, bestehend aus mindestens einer oder mehrerer Einrichtungslagen mit unterschiedlicher Orientierung, erhältlich durch Bereitstellung einer Anordnung von mindestens einer Faserlage mit einer Längsrichtung, die teilweise oder vollständig übereinander angeordnete Einrichtungslagen aufweist, ohne dass ein zusätzlicher Fixierstoff und/oder zusätzliche mechanische oder physikalische Fixiermethoden benötigt werden und wobei mindestens eine Faserlage zu mehr als 70 Gew.-%, bevorzugt zu mehr als 85 Gew.-%, besonders bevorzugt zu mehr als 98 Gew.-% aus Fasern besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Kohlenstofffasern, Vorstufenfasern von Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Glasfasern, Polymerfasern (z. B. Aramid) und deren Gemischen, bezogen auf das Gesamtgewicht der jeweiligen Faserlage. Besonders bevorzugt wird die Einrichtungslage ohne zusätzliche Queradhäsion appliziert.
Bevorzugt sind Fasergelege wobei die unterschiedliche Orientierung der Einrichtungslagen Winkel gleich -90° bis +90° mit der Längsrichtung der multiaxialen Lage umfasst. Bei dem Fasergelege können auch Wirrfaserlagen enthalten sein.
Als Beispiel sind in Fig.2 zweilagige Fasergelege mit einer Einrichtungslage von +45° und -45° und mit einer Einrichtungslage von +0° und 90° gezeigt.
Bei Faserbandablagen in +/- 45°-Lage (2 Lagen) wird vorzugsweise eine Gelegebreite von 10" - 152" (" = Zoll), besonders bevorzugt 50" und einem Flächengewicht von beispielsweise 300 g/m 2 eingesetzt.
Bevorzugt können auch Wirrfaserlagen, Vliese, Vliesstoffe, Wirrfaser-Vliesstoffe und weitere textile Strukturen wie beispielsweise Netze oder Folien oben, unten oder mitten in den Fasergelegen enthalten sein.
Die Fasergelege werden vorzugsweise für Windkraftanlagen, für Automobile, Schiffe, für die Luft- und Raumfahrt, für Schienenfahrzeuge und den sonstigen Transportsektor, Sportgeräte sowie den Konstruktions- und Bausektor verwendet.
Bevorzugt ist ein Element oder eine Vorrichtung, umfassend ein Fasergelege ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Windkraftanlagen, Automobilen, Schiffen, Luft- und Raumfahrt, Schienenfahrzeuge und den sonstigen Transportsektor, Sportgeräte sowie den Konstruktions- und Bausektor.
Die fertigen Einrichtungslagen werden bevorzugt gekühlt gelagert, bevor sie dem dann folgenden Verlegeprozess zugeführt werden.
Next Patent: DEVICE FOR TRANSFERRING AND ALIGNING STRIPS INTENDED TO BE ASSEMBLED TO FORM A PLY