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Dokumentenidentifikation DE60124140T2 06.09.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001352118
Titel GELEGE
Anmelder Airbus UK Ltd., Filton, Bristol, GB;
Devold AMT A/S, Langevåg, NO
Erfinder JOHNSEN, Raymond, N-6030 Langevag, NO;
HEALEY, Michael John, Bristol BS34 7QW, GB
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60124140
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.12.2001
EP-Aktenzeichen 012733119
WO-Anmeldetag 20.12.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/GB01/05673
WO-Veröffentlichungsnummer 2002057527
WO-Veröffentlichungsdatum 25.07.2002
EP-Offenlegungsdatum 15.10.2003
EP date of grant 25.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse D04B 21/16(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ungekrümmte Gewebe und beschäftigt sich insbesondere mit ungekrümmten. Geweben mit verbesserten Drapierungseigenschaften.

Es ist bekannt, Gewebe durch Legen verschiedener Lagen von Fasern in einem Stapel mit einer erforderlichen Dicke zu erzeugen. Die Gewebe können von einem ungekrümmten oder einem Kettenwirktyp sein. Die Gewebe können unidirektional (Fasern mit einer einzigen Ausrichtung) oder typischer multiaxial sein. Der Begriff "multiaxial" bedeutet, dass abwechselnd Lagen von Fasern in mehreren verschiedenen Richtungen gebildet werden, um ein Gewebe mit einer optimalen Stärke und Steifigkeit in erforderlichen Richtungen zu erzeugen. Üblicherweise verwendete Richtungen sind 0°, +45°, –45° und 90°. Normalerweise und zum Zwecke dieser Erfindung liegen die 0°-Lagen in der Kettrichtung und die 90°-Lagen in der Schussrichtung, andere Schichten können jedoch Fasern unter verschiedenen Winkeln, typischerweise unter 45° oder –45° enthalten. Der Begriff "ungekrümmt" bezieht sich auf Gewebe, bei denen eine oder mehrere Schichten von Fasern aufeinander gelegt und durch Nähen oder Anbringen eines Bindemittels in ein Gewebe umgewandelt werden, so dass die Fasern gerade und ohne eine wesentliche Krümmung verbleiben. Zusätzlich dazu, dass ungekrümmte Gewebe (NCF) Leistungsvorteile in Bezug auf übliche gewebte Materialien bieten, können sie bei der Erzeugung pro Masseneinheit billiger und schneller herzustellen sein. Solche Verbundstoffe haben zum Beispiel bei der Verwendung der Herstellung von Flügeloberflächen Potential.

Wenn sich jedoch die Anzahl von Schichten bei einer Decke aus ungekrümmtem Gewebe erhöht, verringert sich aufgrund der durch die Naht auferlegten Beschränkungen die Fähigkeit zur Anpassung an Änderungen der Form der hergestellten Komponente (Drapierung). Folglich sind die Drapierungseigenschaften unidirektionaler und biaxialer NCF im Allgemeinen mit denen von gewebten Geweben vergleichbar, wohingegen die Drapierung bei dreiaxialen, vieraxialen, etc. zunehmend beschränkt ist und folglich mögliche Anwendungen beschränkt werden.

Die vorliegende Anmeldung betrifft ungekrümmte Gewebe mit verbesserten Drapierungseigenschaften.

Die primäre Rolle der Naht besteht darin, die Lagen des ungekrümmten Gewebes während einer Verwendung in überwiegend ungekrümmter Weise zusammenzuhalten. Wenn die Dichte der Stiche jedoch zu groß ist, oder die Naht eine zu große Spannung aufweist oder zu dick ist, dann kann eine Unterbrechung oder ein Krümmen der Fasern auftreten.

Es ist auch bekannt, einen Bindemittelstaub für eine Vorformherstellung unter Verwendung von nicht gekrümmten Geweben zu verwenden. Die Verwendung solch eines feinen Staubs kann jedoch gefährlich sein, da der Staub von einem Arbeiter eingeatmet werden kann oder die Haut des Arbeiters reizen kann.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen eines ungekrümmten Gewebes vorgesehen, das umfasst, dass ein Verbund von Lagen bereitgestellt wird und die Lagen unter Verwendung eines schmelzbaren Fadens zusammengenäht werden. Solche Verfahren sind in FR-A-2 594 858, EP-A-0 361 796 oder US-A-4 857 379 offenbart.

Bei der Verwendung und gemäß der Erfindung besteht die primäre Funktion des Stichs darin, die Fasern während der Herstellung des ungekrümmten Gewebes zusammenzuhalten und ein Eingießen von Harz zu unterstützen. Während der Stich zu Beginn eine Drapierung beschränkt, beseitigt ein letztliches Schmelzen des Stichs diese Beschränkung. Bei der vorliegenden Anmeldung bedeutet der Begriff schmelzbar, dass der Faden bei einer Erwärmung nicht nur selbst schmilzt, sondern sich während einer Verarbeitung bei einer Temperatur auch in ein Harz auflöst. Daher können durch ein Verwenden eines schmelzbaren Fadens die genähten Lagen erwärmt werden, um den schmelzbaren Faden weich zu machen oder zu schmelzen und somit die Drapierung des Gewebes zu verbessern.

Vorzugsweise sind die Lagen kett- und schussdominiert. Beispiele für kett- und schussdominierte Lagen sind in EP-A-0826488 beschrieben, auf die der Leser für Details verwiesen wird. Fasern jeder Lage, die bei dem Verbundstoff verwendet wird, können in mehreren verschiedenen Richtungen gebildet sein. Bei der vorliegenden Anmeldung sind sie vorzugsweise 0°, +45°, –45° und 90°, aber bei der Schussausrichtung können Winkel von ±20° bis 90° verwendet werden.

Das ungekrümmte Gewebe kann einen Masseanteil des schmelzbaren Fadens zwischen 0,5 % und 10 % umfassen. Vorzugsweise umfasst das ungekrümmte Gewebe einen Masseanteil des schmelzbaren Fadens zwischen 1 % und 3 %.

Der schmelzbare Faden schmilzt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 40°C und 150°C in Abhängigkeit von der Anwendung und dem verwendeten Verarbeitungsweg. Der geschmolzene Faden kann mit dem aushärtenden Harz reagieren oder als eine separate Phase verbleiben, und verursacht vorzugsweise eine minimale Verringerung der mechanischen Eigenschaften und verbessert die Beschädigungstoleranz. Vorzugsweise sollte der schmelzbare Faden nach dem Aushärten eine Glasübergangstemperatur (Tg) von höher als 120°C für Luft- und Raumfahrtanwendungen aufweisen. Um die Schmelz- und Tg-Temperatur auszugleichen ist eine Reaktion zwischen dem geschmolzenen Stich und dem Harz erwünscht. Eine Tg von höher als 120°C würde insbesondere bei einer Kompression eine Heiß-Nass-Leistung verbessern. Eine Tg von kleiner als 120°C kann die Beschädigungstoleranz unterstützen.

Der schmelzbare Faden kann aus einem oder mehreren verschiedenen Materialien gebildet sein. Wenn mehrere Materialien verwendet werden, können die Fäden bei verschiedenen Temperaturen schmelzen oder sowohl schmelzbare als auch nicht schmelzbare Materialien enthalten. Wenn ein Material nicht schmelzbar ist, sind die Fasern vorzugsweise nicht durchgehend, wodurch eine Bewegung ermöglicht wird, wenn das schmelzbare Material schmilzt. Bei normaler Verarbeitungstemperatur umfassen nicht schmelzbare Fadenmaterialien: Polyester, Acrylamidpolymere, z.B. Kevlar®, Kohlenstoff, Acrylnitrilpolymere, z.B. Panox®, oder PBO. Schmelzbare Fadenmaterialien können Polyamide, Polymere von Polyethersulfon mit niedrigerem Molekulargewicht, z.B. Grillon K-110 von EMS Chemie AG, oder Mischungen mit Epoxidharzen umfassen.

Der schmelzbare Faden kann aus zwei oder mehreren verschiedenen Materialien gebildet sein, die jeweils eine verschiedene Schmelztemperatur aufweisen.

Vorzugsweise läuft die Naht im Wesentlichen quer über die Lagen und folgt einem vorbestimmten Muster. Das Muster kann ein geschlossenes Trikot, einen offenen Kettenstich, einen geschlossenen Kettenstich, einen offenen Trikot-Kettenstich oder einen geschlossenen Trikot-Kettenstich oder Varianten hiervon umfassen.

Das Verfahren umfasst ein Erwärmen der Lagen, wie zuvor erwähnt, um die Drapierung des Gewebes zu verbessern. Bei einer Ausführungsform werden die Lagen auf eine Temperatur erhöht, die nicht höher als die Schmelztemperatur des Fadens ist. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Lagen jedoch auf eine Temperatur erwärmt, die bei oder über der Schmelztemperatur des schmelzbaren Fadens liegt, so dass der Faden schmilzt und dem Gewebe ermöglicht, sich zu bewegen. Wo dies ohne das Vorhandensein eines Matrixharzes auftritt, erhält ein Kühlen unter Druck unter die Schmelztemperatur im Wesentlichen die geformte Gestalt unter Erzeugung einer Vorform aufgrund davon bei, dass der schmelzbare Stich als ein In-situ-Bindemittel wirkt.

Eine Spannung in der ungeschmolzenen Naht neigt dazu, Kanäle in dem ungekrümmten Gewebe zu erzeugen, die normalerweise unerwünscht sind. Es wurde jedoch herausgefunden, dass das Verfahren ein leichteres Eingießen von Matrixharz in das Gewebe durch die Kanäle ermöglichen kann, und dann wird das Gewebe auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur der Naht erhöht, wodurch die Naht schmilzt und die Spannung löst. Auf diese Weise bewegen sich Fasern in dem ungekrümmten Gewebe, die aufgrund der Spannung in der Naht gekrümmt wurden, um ein Krümmen zu minimieren, harzreiche Bereiche zu reduzieren und eine Ultraschall-NDT-Prüfung zu verbessern.

Während das Verfahren ein Eingießen von Matrixharz in das ungekrümmte Gewebe umfasst, ist der schmelzbare Faden vorzugsweise mit dem Matrixharz chemisch kompatibel und weist ein ähnliches Modul auf.

Der schmelzbare Faden kann schmelzen und als eine von dem Matrixharz separate Phase verbleiben, sich in der Matrix auflösen oder sich später ablagern, wenn die Matrix ausgehärtet wird oder sich setzen kann.

Die Matrix kann ein Harz sein.

Die geschmolzene Naht kann auch als eine Härtungsphase in dem ungekrümmten Gewebe mit eingegossenem Harz wirken. Solch ein sekundärer Nutzen wäre bei Niveaus eines schmelzbaren Stichs von 5–10 % der Gewebemasse normal.

Ein haariges Garn, das in der ebenfalls anhängigen UK-Patentanmeldung offenbart ist, die gleichzeitig hiermit eingereicht wurde und den Titel "Composites" trägt, kann in die Lagen eingeführt werden, um die Schereigenschaften zwischen den Lagen zu verbessern und die Beschädigungstoleranz zu verbessern.

Ein ungekrümmtes Gewebe gemäß der Erfindung wird nun beispielhaft und in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Schnittansicht eines ungekrümmten Gewebes ist, das mit einem schmelzbaren Faden vernäht wird; und

2 eine Tabelle ist, die verschiedene Typen von Stichmustern zeigt.

Bezug nehmend auf 1 wird ein ungekrümmtes Gewebe 10 aus einem Verbund 12 mit Lagen 14a14e gebildet. Die Lagen sind multiaxial mit Fasern in den jeweiligen Lagen 14a bis 14e unter Winkeln von 0°, 90°, +45°, 90° und –45°, wie in 1 gezeigt.

Ein Satz von Nadeln 16 wird verwendet, um das Zusammennähen der Lagen 12 zu vereinfachen. Die Nadeln 16 bewegen sich in einem vorbestimmten Muster quer nach oben und nach unten durch den Verbund 12, während der Verbund in eine durch den Pfeil "A" gezeigte Richtung bewegt wird. Beispiele vorbestimmter verwendeter Stichmuster sind in 2 gezeigt.

Ein schmelzbarer Faden 18, z.B. hergestellt aus Grillon K-110®, wird in die Nadeln 16 gefädelt. Der Faden 18 wird dann in den vorbestimmten Mustern in den Verbund 12 gestochen.

Das ungekrümmte Gewebe 10 kann dann verwendet werden, um Konstruktionskomponenten zu erzeugen. Das Gewebe 10 wird über ein Vorformwerkzeug drapiert, um kopiert zu werden (nicht gezeigt), wobei das Gewebe zuerst in Form geschnitten wird. Das Gewebe 10 wird auf eine Temperatur bei oder über der Schmelztemperatur des Fadens erwärmt, um einen Teil der Spannung in dem Faden zu lösen und auf diese Weise die Drapierung des Gewebes zu verbessern.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Harz (nicht gezeigt) in das ungekrümmte Gewebe 10 eingegossen. Während des Eingießprozesses gelangt das Harz in Kanäle (nicht gezeigt), die sich aus der Spannung in der Naht ergeben. Nach dem Eingießen wird das Gewebe 10 auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des Fadens erwärmt. Dies bewirkt, dass die Naht schmilzt und auf diese Weise die Spannung löst. Als ein Ergebnis können sich Fasern in dem ungekrümmten Gewebe 10, die aufgrund einer Spannung in der Naht gekrümmt wurden, bewegen, um die Krümmung zu minimieren.

Bei noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein "haariges Garn" (nicht gezeigt) verwendet werden. Stränge aus haarigem Garn ersetzen Fasern in den Lagen 14. Die Stränge aus haarigem Garn in einer Lage treten mit jenen in einer anderen in Interaktion, um auf diese Weise die Scherstärkeeigenschaften des ungekrümmten Gewebes 10 zu verbessern, wie es in der zuvor erwähnten UK-Patentanmeldung beschrieben ist, auf die der Leser für alle Details verwiesen wird.


Anspruch[de]
Verfahren zum Drapieren eines ungekrümmten Gewebes (10) über ein Formwerkzeug, mit den Schritten:

Bereitstellen eines ungekrümmten Gewebes (10), das einen Schichtstapel mit Lagen (14a14e) umfasst, die unter Verwendung eines Fadens (18) zusammengenäht sind, von dem zumindest ein Teil schmelzbar ist;

Anordnen des ungekrümmten Gewebes (10) auf dem Formwerkzeug, und

ausreichendes Erwärmen des ungekrümmten Gewebes (10), um den schmelzbaren Faden (18) zumindest weich zu machen,

gekennzeichnet durch

ein Erwärmen des ungekrümmten Gewebes (10), wenn das ungekrümmte Gewebe (10) über das Werkzeug drapiert ist, um dadurch die durch die Naht verursachte Beschränkung beim Drapieren zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lagen (14a14e) auf eine Temperatur erwärmt werden, die nicht höher als die Schmelztemperatur des Fadens (18) ist. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Lagen (14a14e) auf eine Temperatur erwärmt werden, die über der Schmelztemperatur des Fadens (18) liegt. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Lagen (14a14e) gekühlt werden, während sie unter Druck stehen, wodurch eine Vorform erzeugt wird, wobei der geschmolzene Faden (18) als In-situ-Bindemittel in dem ungekrümmten Gewebe (10) wirkt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das umfasst, dass eine Spannung in der ungeschmolzenen Naht erzeugt wird, um Harztransferkanäle in dem ungekrümmten Gewebe (10) zu erzeugen. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Matrixharz durch die Kanäle in dem ungekrümmten Gewebe (10) eingegossen wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, das umfasst, dass ein Matrixharz ausgewählt wird, das mit dem schmelzbaren Faden (18) chemisch kompatibel ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, das umfasst, dass ein Matrixharz und ein schmelzbarer Faden (18) mit einem ähnlichen Modul ausgewählt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der schmelzbare Faden (18) als eine von dem Matrixharz separate Phase verbleibt, sich in dem Matrixharz auflöst oder sich ablagert, wenn das Matrixharz ausgehärtet wird oder sich setzen kann. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem die Naht so ausgewählt wird, dass die geschmolzene Naht als eine Härtungsphase in dem ungekrümmten Gewebe (10) mit eingegossenem Harz wirkt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bereitgestellte ungekrümmte Gewebe (10) einen Massenanteil des schmelzbaren Fadens (18) zwischen 0,5 % und 10 % umfasst. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das bereitgestellte ungekrümmte Gewebe (10) einen Massenanteil des schmelzbaren Fadens (18) zwischen 1 % und 3 % umfasst. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das umfasst, dass der schmelzbare Faden (18) bei einer Temperatur zwischen 40 °C und 250 °C aufgeschmolzen oder aufgelöst wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das umfasst, dass ein schmelzbarer Faden (18) mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von höher als 120°C nach dem Aushärten ausgewählt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der schmelzbare Faden (18) aus zwei oder mehreren Teilen gebildet wird, die verschiedene Materialien umfassen, wobei jedes eine verschiedene Schmelztemperatur aufweist. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem mindestens eines der Materialien, aus dem der Faden (18) gebildet wird, nicht schmelzbar ist. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der nicht schmelzbare Teil des Fadens (18) nicht durchgehend ist. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem der nicht schmelzbare Teil des Fadens (18) aus Polyester besteht. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Naht im Wesentlichen quer durch die Lagen (14a14e) geführt wird. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Naht in einem vorbestimmten Muster ausgeführt wird und aus der Gruppe ausgewählt wird: Trikot geschlossen, offener Kettenstich, geschlossener Kettenstich, offener Trikot-Kettenstich oder geschlossener Trikot-Kettenstich. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das umfasst, dass ein ungekrümmtes Gewebe (10) bereitgestellt wird, bei dem die Lagen (14a14e) multiaxial sind. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Fasern jeder Lage (14a14e) in Richtungen unter 0°, +45°, –45° und 90° angeordnet werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Fasern jeder Lage (14a14e) in Richtungen unter ±20° bis 90° angeordnet werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein haariges Garn in die Lagen (14a14e) eingeführt wird.






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