DE102005000115A1

DE102005000115A1 - Verfahren zur Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn

Info

Publication number: DE102005000115A1
Application number: DE102005000115A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dipl.-Ing. Heinrich; Jürgen Dipl.-Ing. Födisch; Jan Dipl.-Ing. Grünert
Original assignee: CETEX CHEMNITZER TEXTILMASCHIN; CETEX CHEMNITZER TEXTILMASCHINENENTWICKLUNG GGMBH
Current assignee: Karl Mayer Malimo Textilmachinenfabrik of Chemnitz GmbH
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: DE102005000115B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn zu schaffen, die über eine in Längsrichtung verlaufende Materiallage verfügt und damit hinreichende Stabilität gegen Verzüge in der Gelegefläche aufweist. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein kontinuierlicher Falt-Wickel-Vorgang mindestens einer im Winkel zur Erstreckungsrichtung der zu erzeugenden Gelegebahn verlaufenden Faserlage unter Einschluss mindestens einer zumindest in der Falt-Wickel-Zone in ausgebreitetem Zustand frei in Produktionsrichtung laufenden Materialbahn (1) erfolgt. DOLLAR A Die Erfindung ist bei der Herstellung von Gelegebahnen anwendbar, die beispielsweise als Verstärkung hochfester Kunststoffe zur Anwendung kommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn.
Bi- und multidirektionale Gelegeaufbauten sowie Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt. Derartige Gelege kommen u. a. als textile Verstärkungsstrukturen in Faserverbundanwendungen, vorrangig mit einem Lagenaufbau von ±45°, zum Einsatz. Für viele Anwendungsfälle ist die Bi- bzw. Multidirektionalverstärkung in ±alpha-Richtung jedoch nicht ausreichend. Hier wird mindestens eine weitere Lage mit 0°-Orientierung, benötigt. Diese zusätzliche Materiallage ist erforderlich, um neben den Belastungen in der ±alpha-Richtung im späteren Faserverbundbauteil auch in der 0°-Richtung Kräfte aufnehmen zu können.

In der EP 768167 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem ein vorzugsweise in ±45°-Richtung biaxial verstärktes Gelege hergestellt wird. Dabei wird ein unter dem Legewinkel ±alpha zur Produktionsrichtung des biaxialen Geleges auf eine Wendetischplatte auflaufendes, mittels eines Haftfadengitters vorfixiertes unidirektionales Fasergelege in einem Falt-Wickel-Prozess zu einer zweilagigen Gelegebahn umgeformt. Die zweilagige Gelegebahn wird durch eine Transportvorrichtung von der Wendetischplatte abgezogen und durch ein Druckwalzenpaar verfestigt.

Beim Abziehen und Ausbreiten der nur durch die netzförmige Struktur der aufgetragenen Haftfäden vorfixierten biaxialen Faserlagen von der Wendetischplatte kommt es zum Verziehen der abgelegten Faserschichten. Ohne das Vorhandensein einer stabilisierenden Trägerschicht in Form einer Transporthilfe in Produktionsrichtung, die im biaxialen Gelegeaufbau die während des Abziehens, Ausbreitens und Transportieren des Geleges auftretenden Beanspruchungen in der Gelegefläche aufnimmt, ist eine verzugsfreie Fixierung mit der angestrebten hohen Oberflächenqualität über die gesamte Gelegebreite der in ±alpha-Orientierung abgelegten Faserschichten nur sehr schwer möglich.

In der EP 768167 wird weiterhin die Möglichkeit erwähnt, die benötigte 0°-Lage und/oder zusätzliche Materiallagen in einem weiteren, vom Gelegebildungsprozess getrennten, zusätzlichen Arbeitsschritt auf das fertige ±alpha-Gelege aufzukaschieren. Dies beseitigt jedoch die vorgenannten Probleme nicht. Es ist auf diese Weise auch nicht mehr möglich, die Forderung nach einer zwischen den beiden Winkellagen angeordneten 0°-Lage zu erfüllen.

Die JP 2003-221771 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung biaxialer Gelege. Ebenfalls in einem Falt-Wickel-Prozess werden eine oder mehrere seitlich in einem Winkel ±alpha zur Produktionsrichtung des biaxialen Geleges zugeführte Materialbahnen auf innenliegende, paarweise mit Abstand zueinander angeordnete, feststehende Kantenelemente aufgewickelt. Auf den Kantenelementen werden doppelseitig klebende Bänder zur Fixierung der beiden Lagen aufeinander in das Innere des Gelegeschlauches gebracht. Der Gelegeschlauch wird von den innenliegenden Kantenelementen abgezogen, ausgebreitet und durch ein Druckwalzenpaar verfestigt.

Nachteilig ist hierbei die Einbringung der doppelseitig klebenden Bänder in die Kantenbereiche des Geleges, die zu einer unterschiedlichen Dicke im Gelege führen. Demzufolge müssen die verdickten Ränder entweder in einem zusätzlichen Arbeitsgang entfernt oder als Qualitätsmangel hingenommen werden. Weiterhin werden die Randbereiche des Geleges durch die Kantenelemente mit erheblichem Abstand gebildet, da zwischen den Kantenelementen die von den doppelseitig klebenden Bänder abzuziehenden Abdeckbänder aus der Legezone zurückgeführt werden müssen. Beim Abziehen des Gelegeschlauches werden sich dadurch Verzüge im Gelege einstellen. Das Einbringen einer stabilisierenden, innenliegenden 0°-Lage ist auch mit dieser Vorrichtung nicht möglich, so dass die entstehende Gelegebahn keine Verzugsstabilität in Produktionsrichtung aufweist

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn zu schaffen, die über eine in Längsrichtung verlaufende Materiallage verfügt und damit hinreichende Stabilität gegen Verzüge in der Gelegefläche aufweist.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale enthalten die Ansprüche 2 bis 12.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung multidirektionaler Gelege ist ein kontinuierlicher Falt-Wickel-Prozess, bei dem eine oder mehrere, in einem Legewinkel ±alpha orientierte Faserlagen aus einem flächig ausgebreiteten Faserverband um mindestens eine zweite, in Produktionsrichtung (der 0°-Richtung) orientierte Materialbahn gewickelt werden.

Die Faserlagen werden kontinuierlich von Vorlagewickeln geliefert oder abgezogen, zu einem Multidirektionalgelege gefaltet, gewickelt und abgelegt, fixiert und ggf. weiteren Verarbeitungsschritten zugeführt. Das Wickeln erfolgt um die Kanten der in 0°-Orientierung flächig ausgebreiteten, frei laufenden Materialbahn, ohne dass im Inneren des entstehenden Gelegeschlauches angeordnete, stabilisierende bzw. beim Falt-Wickel-Vorgang auftretende und auf die Materialbahn wirkende Belastungen aufnehmende zusätzliche Elemente wie ein Wickeltisch oder Kantenführungen vorhanden sind.

Das Umwickeln der Bahnkanten der in 0°-Richtung orientierten Materialbahn mit der/den im Legewinkel +/–alpha zugeführten Faserlage(n) kann, geeignete Vorlagematerialien vorausgesetzt, ohne weiteres direkt um die Kanten der 0°-Materialbahn erfolgen.

Die Erfindung sieht jedoch auch vor – und dies wird bei den meisten Materialbahnen erforderlich sein – die Faserlagen während des Falt-Wickel-Vorganges vor Anlegen an die jeweilige Kante der Materialbahn zu falzen, und zwar an der Stelle, die unmittelbar danach an der Bahnkante zu liegen kommen wird.

Im herzustellenden Multidirektionalgelege lassen sich durch den erfindungsgemäßen Gelegebildungsprozess die unterschiedlichsten Lagenaufhauten und Strukturen realisieren. Das Gelege ist somit als Verstärkungstextil sehr gut an die späteren Bauteilanforderungen anpassbar.

Durch die Kombination unterschiedlichster Faser- bzw. Materialarten sowie Fixierung und Bindungssysteme können verschiedene Flächenmassen, Gelegeaufbauten und Oberflächenstrukturen realisiert werden. Möglich sind z. B. Multidirektionalgelege geringer Flächenmassen mit homogener, spaltfreier Oberfläche für Bauteile mit hohen Anforderungen an die optische Oberflächenqualität.

Vorlagematerialien für die in 0°-Richtung verlaufende Materialbahn können sowohl lose oder als textile Fläche gebundene (z. B. Gewebe, Gelege, Gewirke, Vliese usw.), uni- oder multidirektional angeordnete Einzelfasern, Rovings, Fäden oder Faserschichten als auch Materialbahnen (z. B. Abstandsstrukturen) sein.

Für die Faserlagen kommen als Ausgangsfaserstoffe alle Verstärkungsfasern für Kunststoffe (z. B. Glas-, Kohle- und Aramidfasern) sowie Naturfasern (z. B. Flachs, Jute, Sisal) und Kunststofffasern (z. B. PP, PES, PE) in Betracht. Die Einzelfaserlage kann dabei aus homogenem Fasermaterial oder gemischten Faserstoffen bestehen (z. B. Hybridgarne), unfixiert oder durch verschiedene Bindesysteme (z. B. Nähfäden, schmelzklebende oder permanente Klebstoffe), fixiert sein. Die Faserlagen können außerdem wiederum aus multidirektionalen Gelegen oder vorverfestigten textilen Flächen (z. B. Gewebe, Gewirke, Vliese usw.) bestehen.

Des weiteren sind mit dem beschriebenen Gelegebildungsverfahren Hybrid- und Mehrlagenaufbauten (z. B. Wabenstrukturen) kontinuierlich herstellbar.

Die Verfestigung des Gelegeaufbaus zu einem handhabbaren, d. h. schiebefest verbundenen Multidirektionalgelege kann durch während des Wickelvorgangs separat eingebrachte Bindesysteme (z. B. permanente Klebstoffe) oder durch bereits in das vorgefertigte Vorlagematerial eingebrachte Bindesysteme unter Druck oder unter Hitze und Druck erfolgen. Auch weitere Verfestigungsarten, z. B. mechanische, sind möglich.

Beispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, in der eine 0° Materialbahn mit zwei flächig ausgebreiteten Faserlagen umwickelt wird,
2 eine Darstellung analog zu 1, wobei jedoch jede Faserlage aus zwei parallel zueinander laufenden Faserlagen zusammengesetzt ist,
3 einen Querschnitt entsprechend Schnittlinie A-A in 1 bzw. 2 und in
4 eine Darstellung analog zu 1, wobei zwei Faserlagen in unterschiedlichen Legewinkeln auf die 0°-Materialbahn aufgewickelt werden.
In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren grundlegend dargestellt. Die Materiallage 1 wird von dem Vorlagewickel 2 abgezogen bzw. geliefert. Der Vorlagewickel 2 ist in einer nicht näher dargestellten Abwickelstation angeordnet. Die Materialbahn 1 erstreckt sich zwischen dem Vorlagewickel 2 und dem in einer ebenfalls nicht näher dargestellten Aufwickelstation angeordneten Fertigwickel 9 in einem Winkel von 0° zur Produktionsachse bzw. Längsachse der herzugstellenden Gelegebahn und wird deshalb im folgenden auch als 0°-Materialbahn 1 bezeichnet.
Gemäß der Erfindung erstreckt sich die Materialbahn 1 zwischen Vorlagewickel 2 und Fertigwickel 9, zumindest jedoch in der Falt-Wickel-Zone, in flächig ausgebreitetem Zustand und frei laufend, d. h. ohne zusätzliche Halte- oder Unterstützungsmittel wie z. B. einen Wickeltisch.
Unter den Legewinkeln +alpha bzw. –alpha werden von den Vorlagewickeln 4a und 4b aus einem flächig ausgebreiteten Faserverband bestehende Faserlagen 3a und 3b seitlich entlang der Bahnlaufachsen 6a; b zugeführt.
Der Falt-Wickel-Vorgang erfolgt, indem die zugeführten Faserlagen 3a; b durch eine relative Drehbewegung der Materialbahn 1 um die Bahnlaufachse 5 gegenüber den Vorlagewickeln 4a; b der Faserlagen 3a; b über die Kanten 1a; b der Materialbahn 1 spalten- und verzugsfrei aufgewickelt und dabei um die Kanten 1a; b der Materialbahn 1 gefaltet werden.
Diese relative Drehbewegung zwischen den genannten Elementen kann einerseits durch die zu einander synchrone Rotation des Vorlagewickels 2 und des Fertigwickels 9 um die Bahnlaufachse 5 erreicht werden. Möglich ist jedoch auch eine Rotation der Vorlagewickel 4a; b um die Materialbahn 1 um die Bahnlaufachse 5. Auch eine Überlagerung beider Bewegungen ist denkbar.
Im Ausführungsbeispiel wird der erstgenannte Fall dargestellt. Der Vorlagewickel 2 und der Fertigwickel 9 sind dazu in der Ablauf- bzw. Aufwickelstation um die Bahnlaufachse 5 drehbar angeordnet. Die Vorlagewickel 4a; b der Faserlagen 3a; b sind seitlich der Bahnlaufachse 5 in alpha-Orientierung zur Produktionsrichtung angeordnet.
Durch das Umwickeln der Materialbahn 1 mit den Faserlagen 3a; b entsteht ein multidirektionales Gelege 7 mit dem Lagenaufbau +/–alpha, 0°, –/+alpha. Die Materialbahn 1 wird dabei mit einer Geschwindigkeit zwischen Vorlagewickel 2 und Fertigwickel 9 bewegt, die dem Versatz der Faserlagen 3a; b in den Schnittpunkten mit den gegenüberliegenden Kanten 1a; b der Materialbahn 1 entspricht. Die Transportbewegung in Richtung der Bahnlaufachse 5 fördert das Gelege zur Fixierung 8, wo es verfestigt wird. Anschließend wird es auf den Fertigwickel 9 aufgewickelt oder weiteren Verarbeitungsschritten (z. B. Schneiden, Stapeln, Magazinieren) zugeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass bei dem Falt-Wickel-Vorgang die Faserlagen 3a; b unmittelbar auf die flächig ausgebreitete, frei laufende Materialbahn 1 aufgelegt werden. Bei entsprechender Stabilität der Materialbahn 1, insbesondere deren Kanten 1a; b, können die Faserlagen 3a; b direkt im Kontakt mit den Kanten 1a; b gefaltet werden.
Ist diese ausreichende Stabilität nicht gegeben, dann erfolgt die Faltung der Faserlagen 3a; b, indem diese bereits vor Anlegen an die jeweilige Kante 1a; b gefalzt werden, und zwar so, dass der entstehende Abschnitt zwischen zwei Falten mindestens der Breite der Materialbahn 1 entspricht.
2 zeigt eine weitere vorteilhafte Varianten des Verfahrens. Zur Minimierung der geometrischen Abmessung 10 der Vorlagewickel der unter dem Legewinkel alpha zugeführten Faserlagen ist es vorgesehen, mehrere Vorlagewickel 11, 12, 13 und 14 ein- oder beidseitig zuzuführen. Diese Vorlagewickel 11, 12, 13 und 14 sind so angeordnet, dass die von ihnen ablaufenden Faserlagen 3a; b sich unmittelbar benachbart Kante an Kante abgelegt werden.
3 veranschaulicht den Aufbau des entstehenden Geleges. Die Materialbahn 1 kann einlagig sein, aber beispielsweise auch aus mehreren unterschiedlichen Materiallagen 15 und 16, die von den Vorlagewickeln 17 und 18 in Richtung der Bahnlaufachse 5 abgezogen bzw. geliefert werden, aufgebaut sein.
In 4 ist die Anordnung einer weiteren seitlichen Materialzuführung zusätzlich zu einer ersten Faserlage 3 dargestellt. Durch Zuführung einer oder mehrerer zusätzlicher Faserlagen 19 können multidirektionale Gelege 7 in höherer Lagenzahl mit unterschiedlichsten Legewinkeln alpha1 und alpha2 als komplexe Gelegestrukturen hergestellt werden. Unter Verlängerung der Zulaufstrecke 20 ist es ebenso möglich, weitere 0°-Materialbahnen 21 in den Gelegebildungsprozess zu integrieren.
Nicht dargestellt sind Einrichtungen zum Aufbringen von Klebstoffen zur Verbindung von Materialbahn 1 und Faserlagen 3a; b; 19 untereinander. Diese können sowohl nach der Abwickelstation für den Vorlagewickel 2 der Materialbahn 1 als auch im Bahnlauf der Faserlagen 3a; b; 19 angeordnet sein.

1: Materialbahn
1a; b: Materialbahnkante
2: Vorlagewickel
3a; b: Faserlage
4a; b: Vorlagewickel
5: Bahnlaufachse
6: Bahnlaufachse
7: Gelege
8: Fixierung
9: Fertigwickel
10: Abmessung
11: Vorlagewickel
12: Vorlagewickel
13: Vorlagewickel
14: Vorlagewickel
15: Materiallage
16: Materiallage
17: Vorlagewickel
18: Vorlagewickel
19: Faserlage
20: Zulaufstrecke
21: Materialbahn
alpha: Legewinkel
alpha1: Legewinkel
alpha2: Legewinkel

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung einer multidirektionalen Gelegebahn unter Verwendung mindestens einer Faserlage aus einem flächig ausgebreiteten Faserverband, wobei diese mindestens eine, im Winkel zur Erstreckungsrichtung der zu erzeugenden Gelegebahn verlaufende Faserlage in einem kontinuierlichen Falt-Wickel-Vorgang zu einem mehrschichtigen, multidirektionalem Gelege umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Falt-Wickel-Vorgang unter Einschluss mindestens einer zumindest in der Falt-Wickel-Zone in ausgebreitetem Zustand frei in Produktionsrichtung laufenden Materialbahn (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzuschließende Materialbahn (1) um ihre Längsachse (5) rotiert, während der Vorrat (4a; b; 11; 12; 13; 14) der mindestens einen Faserlage (3a; b; 19) in alpha-Orientierung zur Längsachse (5) der einzuschließenden Materialbahn (1) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Faserlage (3a; b; 19) eine Umlaufbewegung um die flächig ausgebreitete, frei laufende Materialbahn (1) ausführt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltung der mindestens einen Faserlage (3a; b; 19) durch Anlegen an die gespannten Kanten (1a; b) der Materialbahn (1) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltung der mindestens einen Faserlage (3a; b; 19) erfolgt, indem die Faserlage (3a; b; 19) vor Anlegen an die jeweilige Kante (1a; b) der Materialbahn (1) gefalzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Materialbahn (1) ausgewählt ist aus gebundenen textilen Flächen wie Geweben, Gelegen, Gewirken, Vliesen, uni- oder multidirektional angeordneten Einzelfasern, Rovings, Fäden oder Faserschichten.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Materialbahn (1) eine Abstandsstruktur wie ein Abstandsgewirke oder eine Wabenstruktur enthält.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der mindestens einen Faserlage (3a; b; 19) ausgewählt ist aus Verstärkungsfasern für Kunststoffe wie Glas-, Kohle- und Aramidfasern, sowie Naturfasern wie Flachs, Jute, Sisal und Kunststofffasern wie Polypropylen, Polyester, Polyethylen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art des Flächengebildes der mindestens einen Faserlage (3a; b; 19) ausgewählt ist aus homogenem Fasermaterial, gemischten Faserstoffen wie Hybridgarne, unfixierten Lagen, durch Bindesysteme wie Nähfäden, schmelzklebende Klebestoffe, permanente Klebstoffe fixierten Lagen, multidirektionalen Gelegen, vorverfestigten textilen Flächen wie Geweben, Gewirken, Vliesen.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (1) der zumindest einen aufzubringenden Faserlage (3a; b; 19) zugewandte klebefähige Oberflächen aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine aufzubringende Faserlage (3a; b; 19) eine der Materialbahn (1) zugewandte klebefähige Oberfläche aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberflächen der Materialbahn (1) und/oder der mindestens einen Faserlage (3a; b; 19) unmittelbar vor dem Falt-Wickel-Vorgang ein Klebemittel aufgebracht wird.