Verfahren zum Herstellen von verfestigten gelegten Strukturen

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von verfestigten gelegten Strukturen aus Garnen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes aus derartigen gelegten Strukturen.

Zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen werden einerseits textile Flächengebilde wie Gewebe oder Gelege, andererseits direkt gelegte Strukturen eingesetzt. Textile Flächengebilde sind in der Regel leicht handhabbar, sind aber zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit komplizierten und/oder dreidimensionalen Formen weniger geeignet. Zu diesem Zweck werden gelegte Strukturen empfohlen. Beispielsweise werden in DE 201 20 447 Garne zu einer gelegten Struktur gefügt, wonach ein thermisch schmelzbares Material in Pulverform aufgestreut, anschließend erhitzt und verfestigt wird. Auf diese Weise entsteht ein Vorformling, welcher gegebenenfalls mit anderen Vorformlingen zusammen zu einem Verbundwerkstoff weiterverarbeitet werden kann. Dieses Verfahren ist für komplizierte und/oder dreidimensionale Gebilde nur bedingt geeignet, da nur solche Gebilde hergestellt werden können, bei denen die Garne nach dem Legen an dem vorgesehenen Platz liegen bleiben und nicht ab- oder zusammenrutschen, weil bei diesem Verfahren die Garne während des Verfestigungsvorganges nur bedingt festgehalten werden können.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen ist in

WO 2005/095080 A1 beschrieben, bei dem das Verstärkungsgarn zunächst mit

einem thermisch schmelzbarem Material imprägniert wird, wonach die Garne zu gelegten Strukturen gefügt und erhitzt werden, damit die Garne miteinander verbunden werden, um eine verfestigte gelegte Struktur zu bilden. Da bereits beim Legen der Garne, welche auch in breitgelegter Form, beispielsweise in Form eines flachen Bandes (tape) eingesetzt werden, das thermisch schmelzbare Material der Imprägnierung zumindest oberflächlich angeschmolzen werden kann und somit bereits beim Legen benachbarte oder sich kreuzende Garne durch Verfestigen des angeschmolzenen Materials miteinander verbunden werden können, können nach diesem Verfahren somit auch kompliziertere und/oder dreidimensionale Strukturen erzeugt werden. Allerdings ist das dort beschriebene gesamte Verfahren noch sehr zeitaufwändig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Herstellen von verfestigten gelegten Strukturen aus Garnen zur Verfügung zu stellen, mit denen auch kompliziertere und/oder dreidimensionale Strukturen in relativ kurzer Zeit direkt hergestellt werden können. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen unter Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten verfestigten gelegten Strukturen zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen von verfestigten gelegten Strukturen aus Garnen dadurch gelöst, dass auf die Garne zumindest an ihren Berühr- oder Kreuzungspunkten ein thermisch schmelzbares Material über ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht wird, wonach die Garne zusammengeführt werden, während sich das über das thermische Spritzverfahren aufgebrachte thermisch schmelzbare Material noch in einem plastischen beziehungsweise geschmolzenen Zustand befindet.

Der Begriff "thermisches Spritzverfahren" ist in DIN 657:2005 definiert. In dieser Norm sind unterschiedliche Spritzverfahren zusammengefasst, die nach Art des Spritzzusatzstoffes, der Fertigung und/oder des Energieträgers unterteilt sind. Von

diesen thermischen Spritzverfahren werden insbesondere die Verfahren bevorzugt, die das thermisch schmelzbare Material schmelzen und möglichst in Form von winzigen Tröpfchen auf den Ablagekörper und / oder auf das Garn bevorzugt mit hoher Geschwindigkeit schleudern. Der Ablagekörper ist entweder eine endkonturnahe Form oder eine Schicht, die bereits auf dieser endkonturnahen Form abgelegt wurde.

über diese thermische Spritzverfahren lassen sich genau dosierbare Mengen an plastifiziertem, bevorzugt noch geschmolzenem thermisch schmelzbaren Material auf die Garne aufbringen. Insofern wird es über das erfindungsgemäße Verfahren möglich, die Auftragung des plastifizierten, bevorzugt noch geschmolzenen thermisch schmelzbaren Materials hinsichtlich Auftragsmenge so zu steuern, dass einerseits eine gute Bindung zwischen benachbarten Garnen gewährleistet ist und andererseits die zum Verfestigen des plastifizierten, bevorzugt noch geschmolzenen thermisch schmelzbaren Materials erforderliche Abkühlphase zu verkürzen.

Besonders bewährt hat sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn das thermisch schmelzbare Material über thermisches Spritzen mit Pulver aufgebracht wird, wobei das Pulver das thermisch schmelzbare Material ist. über dieses Verfahren ist in sehr kurzer Zeit die notwendige Menge an geschmolzenem thermisch schmelzbarem Material bereitgestellt, um ein Garn mit einem weiteren Garn an ihren Berührungsstellen beziehungsweise Kreuzungsstellen zu verbinden.

Hierbei hat es sich besonders bewährt, wenn als Energieträger ein Plasmastrahl eingesetzt wird.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen gelegten Strukturen sollte als thermisch schmelzbares Material ein solches eingesetzt werden, welches mit dem zur Herstellung des faserverstärkten Verbundwerkstoffes zu verwendenden Materials

gute Haftungseigenschaften aufweist. Geeignete Materialien sind praktisch alle Materialien, die als Matrix in Verbundwerkstoffen eingesetzt werden und thermisch schmelzbar sind. Dies sind insbesondere aliphatische Polyamide, aromatische Polyamide, thermoplastische Polyimide, Polyarylenethersulfone, Polyarylenetherketone, Polyphenylensulfide, Polybenzimidazole, flüssig kristalline Polymere und thermoplastisch sich verhaltende Duromere. Bevorzugt werden beim thermischen Spritzen ähnliche, insbesondere dieselben Polymere eingesetzt, die später auch als Matrix für den Verbundwerkstoff verwendet werden. Es lassen sich aber auch Schichten zwischen den einzeln abgelegten Schichten einbringen, die besondere Funktionen wie zum Beispiel Stoppen des Rissfortschrittes im Versagensfall ermöglichen. Als Garne kommen praktisch alle Garne in Frage, die zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen geeignet sind. Fasern aus Glas, Quarz, Aramid, Siliconkarbid oder Kohlenstoff sind bestens geeignet.

Besonders vorteilhaft zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass die Garne über ihre gesamte Länge während des Ablegeverfahrens über das thermische Spritzen mit dem thermisch schmelzbaren Material beaufschlagt werden.

Es hat sich auch als Vorteil herausgestellt, wenn Garne eingesetzt werden, die bereits mit einem thermisch schmelzbarem Material beaufschlagt sind. Insbesondere können solche Garne eingesetzt werden, die bereits mit einem thermisch schmelzbaren Material imprägniert sind. Hierzu sind die in WO 2005/095080 A1 beschriebenen imprägnierten Garne bestens geeignet.

Von den beschichteten beziehungsweise imprägnierten Garnen haben sich insbesondere solche als vorteilhaft herausgestellt, welche Garne sehr flach ausgebildet sind und insofern die Form eines Bandes aufweisen. Derartige Garne sind beispielsweise in EP 0 937 560, EP 1 281 498 und US 4 900 499 beschrieben.

Das erfindungsgemäße Verfahren gelingt vorzüglich, wenn das über thermisches Spritzen aufzubringende Material ein thermoplastisch sich verhaltendes Material, bevorzugt ein thermoplastisches Material ist.

Die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes, welches sich dadurch auszeichnet, dass zunächst erfindungsgemäße gelegte Strukturen hergestellt werden und danach, gegebenenfalls unter Zugabe von weiterem thermisch schmelzbarem Material, unter Wärme und Druck zum faserverstärkten Verbundwerkstoff geformt werden.

Bevorzugt besteht das zum thermischen Spritzen verwendete schmelzbare Material, das gegebenenfalls zum Beaufschlagen beziehungsweise Imprägnieren der Garne verwendete schmelzbare Material und das beim Herstellen des Verbund körpers eingesetzte schmelzbare Material aus ähnlichen Polymeren, insbesondere aus denselben Polymeren.