DE202021101455U1

DE202021101455U1 - Zweilagiges Carbongelege mit niedriger Masse und verbesserten mechanischen elektrischen Eigenschaften

Info

Publication number: DE202021101455U1
Application number: DE202021101455.5U
Authority: DE
Original assignee: Sky Advanced Mat Korlatolt Felelossegu Tarsa; Sky Advanced Materials Korlatolt Felelossegu Tarsa
Current assignee: Sky Advanced Mat Korlatolt Felelossegu Tarsa; Sky Advanced Materials Korlatolt Felelossegu Tarsa
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2021-05-05
Anticipated expiration: 2031-03-23

Abstract

Carbongelege (100), aufweisend
- eine erste Carbonfaserlage (102) von unidirektionalen parallelen Carbonfäden (108), die in einem ersten Winkelbereich angeordnet sind, der einen Winkel von etwa +30° bis etwa +60° zu einer Längsrichtung des Carbongelege umfasst; und
- eine zweite Carbonfaserlage (104) von unidirektionalen parallelen Carbonfäden (112), die in einem zweiten Winkelbereich angeordnet sind, der einen Winkel von etwa -30° bis etwa -60° zu der Längsrichtung des Carbongelege umfasst, wobei die zweite Carbonfaserlage an der ersten Carbonfaserlage angeordnet ist,
- wobei sich die erste Carbonfaserlage und die zweite Carbonfaserlage mittels eines thermisch aktivierten Polyesterfadens (106) mittels zumindest einer Naht vernäht sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Carbongelege mit einer niedrigen Masse und verbesserten mechanischen Eigenschaften. Carbongelege für die Herstellung von Bauteilen aus Carbonfasern sind dem Fachmann bekannt. Carbongelege sind normalerweise in Form von Bändern mit einer oder mehreren Lagen Carbonfasern oder Carbonfäden bekannt. Die Carbongelege-Bahnen werden auf die gewünschte Größe geschnitten und in eine Form, üblicherweise eine Negativform eingelegt. Es werden so viele Carbongelege-Bahnen überlappend in die Form gelegt, bis die Form vollständig mit Carbongelege-Bahnen ausgelegt ist. Anschließend werden die Carbongelege-Bahnen mit Harzen, beispielsweise einem Epoxidharz oder einem Polyesterharz getränkt bzw. benetzt. Schließlich werden die Carbongelege Bahnen und Harze ausgehärtet, beispielsweise in einem sogenannten Autoklav. Das fertige Bauteil kann nach dem Abkühlen aus der Form entnommen werden und überstehende Ränder können abgeschnitten werden.
Die Details zum Herstellen von Carbon-Bauteilen sind dem Fachmann bekannt und müssen hierin nicht weiter beschrieben werden.
Ein Nachteil von Carbonbauteilen ist, dass sie vergleichsweise teuer in der Herstellung sind. Ferner ist der Prozess zum Einlegen der Carbongelege-Bahnen in die Form kaum bis nicht fehlertolerant.
Die Erfindung stellt sich daher zur Aufgabe, ein Carbongelege zu schaffen, das eine hohe mechanische Festigkeit bei einem niedrigen Herstellungsaufwand und eine höhere Fehlertoleranz beim Einlegen des Carbongelege-Bahnen in die Form aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Carbongelege nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.
Das erfindungsgemäße Carbongelege umfasst eine erste Carbonfaserlage von unidirektionalen parallelen Carbonfäden. Die Carbonfäden sind in einem ersten Winkelbereich angeordnet, der einen Winkel von etwa +30° bis etwa +60° zu einer Längsrichtung des Carbongelege umfasst. Das Carbongelege umfasst eine zweite Carbonfaserlage von unidirektionalen parallelen Carbonfäden. Die Carbonfäden sind in einem zweiten Winkelbereich angeordnet, der einen Winkel von etwa -30° bis etwa -60° zur Längsrichtung des Carbongelege umfasst. Die zweite Carbonfaserlage ist an der ersten Carbonfaserlage angeordnet. Die erste Carbonfaserlage und die zweite Carbonfaserlage sind mittels eines thermisch aktivierten Polyesterfadens mittels zumindest einer Naht vernäht.
Das Carbongelege ist für ein Composite-Harz-Verfahren geeignet. Obwohl Carbonfäden aus vergleichsweise kostengünstiger Herstellung verwendet werden können, wird durch das erfindungsgemäße Carbongelege ein Endprodukt mit hoher Festigkeit erreicht, wie sie üblicherweise nur mit deutlich kostspieligeren Carbonfäden erreicht werden können. Ferner weist das erfindungsgemäße Carbongelege einen homogenen Leitwert auf, so dass keine Schäden durch Blitzeinschlag entstehen können.
Bei einer Ausführungsform kann der erste Winkelbereich einen Winkel von etwa +40° bis etwa +50°, vorzugsweise von etwa +43° bis etwa +47° gegenüber der Längsrichtung des Carbongelege umfassen. Alternativ hierzu oder zusätzlich kann der zweite Winkelbereich einen Winkel von etwa -40° bis etwa -50°, vorzugsweise von etwa -43° bis etwa -47° gegenüber der Längsrichtung des Carbongelege umfassen. Das Carbongelege ist ein biaxiales Carbongelege, bei dem vorzugsweise die Fäden der Carbonlagen unter einen Winkel von +45° bzw. -45° verlaufen.
Die erste Carbonfaserlage und/oder die zweite Carbonfaserlage kann eine relative Masse von etwa 125 g/m² bis etwa 200 g/m², vorzugsweise eine relative Masse von etwa 140 g/m² bis etwa 160 g /m² aufweisen. Vorzugsweise beträgt die relative Masse der ersten und/oder der zweiten Carbonfaserlage je 150 g/m². Das Carbongelege umfasst folglich eine relative Masse von etwa 300 g/m². Die erste Carbonfaserlage und/oder die zweite Carbonfaserlage können je eine Breite von etwa 200 mm bis etwa 2540 mm, vorzugsweise von etwa 240 mm bis etwa 260 mm aufweisen. Die am meisten bevorzugte Breite es 254 mm.
Die erste Carbonfaserlage und/oder die zweite Carbonfaserlage kann sich über eine Länge von etwa 1 m, vorzugsweise von mehr als 2 m, mehr bevorzugt von mehr als 4 m erstrecken. Innerhalb dieses Bereichs sind die Carbonfäden parallel zueinander angeordnet.
Der Abstand zwischen Stichen der zumindest einen Naht beträgt etwa 1 mm bis etwa 5 mm, vorzugsweise etwa 2 mm bis etwa 4 mm. Durch die Naht werden die erste Carbonfaserlage und die zweite Carbonfaserlage zusammen gehalten, da die Naht mittels des thermisch aktivierten Polyesterfadens durch die erste Carbonfaserlage und die zweite Carbonfaserlage läuft.
Das Carbongelege kann eine Mehrzahl Nähte aufweisen, die in Längsrichtung verlaufen, wobei der Abstand zwischen zwei Nähten etwa 3 mm bis etwa 5 mm, vorzugsweise etwa 4 mm bis etwa 11 mm beträgt. Die Nähte verlaufen in Längsrichtung des Carbongeleges. Die Nähte sind parallel zueinander.
Die unidirektionalen parallelen Carbonfäden der ersten Carbonfaserlage und oder der zweiten Carbonfaserlage weisen eine Breite von etwa 20 mm bis etwa 30 mm, vorzugsweise von etwa 24 mm bis etwa 27 mm auf.
Die unidirektionalen parallelen Carbonfäden der ersten Carbonfaserlage und/oder der zweiten Carbonfaserlage weisen eine Dicke von etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm auf.
Die unidirektionalen parallelen Carbonfäden der ersten Carbonfaserlage können miteinander laminiert sein. Die unidirektionalen parallelen Carbonfäden der zweiten Carbonfaserlage können miteinander laminiert sein. Das Laminieren kann mittels Druckwalzen und Wärme erfolgen.
Der Polyesterfaden kann eine Feinheit von etwa 40 dtex bis etwa 100 dtex, vorzugsweise von etwa 74 dtex bis etwa 85 dtex aufweisen.
Die Längsrichtung des Carbongelege wird durch die Produktionsrichtung bestimmt.
Figurenliste
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren mittels einer exemplarischen und nicht einschränkenden Ausführungsform detaillierter beschrieben, wobei

1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Carbonfaserlage zeigt;
2 eine Draufsicht auf eine zweite Carbonfaserlage zeigt; und
3 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Carbongeleges zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Figuren
Die im Folgenden verwendeten räumlichen Beziehungen dienen der veranschaulichenden Beschreibung und sind nicht einschränkend aufzufassen. Sämtliche Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu.
1 zeigt ein erstes Carbonfaserlage 102 mit einer Mehrzahl unidirektionaler paralleler Carbonfäden 108. Die Carbonfäden 108 weisen eine Höhe von etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm auf. Die unidirektionalen parallelen Carbonfäden 108 sind unter einem Winkel von etwa 45° zu der in 1 mittels eines Pfeils dargestellten Produktionsrichtung angeordnet. Die Produktionsrichtung ist die Längsrichtung der Carbonfaserlage 102. Mit anderen Worten, die unidirektionalen parallelen Carbonfäden 108 sind unter einem Winkel von etwa 45° zur Längsrichtung der ersten Carbonfaserlage 102 angeordnet.
2 zeigt ein erstes Carbonfaserlage 104 mit einer Mehrzahl unidirektionaler paralleler Carbonfäden 112. Die Carbonfäden 112 weisen eine Höhe von etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm auf. Die unidirektionalen parallelen Carbonfäden 112 sind unter einem Winkel von etwa -45° zu der in Figur eins mittels eines Pfeils dargestellten Produktionsrichtung angeordnet. Die Produktionsrichtung ist die Längsrichtung der Carbonfaserlage 104. Mit anderen Worten, die unidirektionalen parallelen Carbonfäden 112 sind unter einem Winkel von etwa -45° zur Längsrichtung der ersten Carbonfaserlage 104 angeordnet.
Die Carbonfäden werden von einer Spule abgeholt, auf der beispielsweise der vinylesterkompatible Carbonfaden 50 K PX3505015T-73 aufgewickelt ist. Derartige Carbonfasern weisen einen Bruchwiderstand von etwa 4,1 MPa und ein Zugmodul von 242 GPa auf. Die Dichte beträgt etwa 1,8 g/cm³. Die Einzelfasern haben einen Durchmesser von etwa 7 µm.
Nach dem Abwickeln wird der Carbonfaden aufgespreizt und anschließend wird Heißluft auf den aufgespreizten Faden gerichtet, um Faserabrieb zu vermeiden. Überschüssiger Faserabrieb wird entfernt. Nach dem Aufspreizen weist der Carbonfaden eine Breite von etwa 25,4 mm auf.
Nach dem Aufspreizen wird mittels einer multiaxialen Carbonfasermaschine die Carbonfaserlage 102, 104 hergestellt, indem die unidirektionalen parallelen Carbonfäden 108 bzw. 112 hintereinander angeordnet werden, wie zuvor beschrieben wurde. Anschließend wird der Carbonfaserlage 102, 104 mittels Druckwalzen Wärme zugeführt, um die Fasern zu einer flachen Form zu laminieren. Dabei sind Faserabrieb und beschädigte Fasern zu vermeiden, um einen gleichmäßigen Stromfluss in der Carbonfaserlage zu erreichen.
Jede Carbonfaserlage 102, 104 kann eine Breite von etwa 254 mm und eine relative Masse von etwa 150 g/m² aufweisen.
Es wird auf 3 Bezug genommen, die das erfindungsgemäße Carbongelege darstellt. Die erste Carbonfaserlage und die zweite Carbonfaserlage 102 und die zweite Carbonfaserlage 104 sind aneinander angeordnet. Die unidirektionalen Carbonfäden 108 der ersten Carbonfaserlage 102 verlaufen rechtwinklig zu den unidirektionalen parallelen Carbonfäden 112 der zweiten Carbonfaserlage 104. Die erste Carbonfaserlage 102 und die zweite Carbonfaserlage 104 sind mittels eines Polyesterfadens 106 vernäht. Der Polyesterfadens kann eine Feinheit von etwa 76 dtex oder 83 dtex aufweisen. Der Abstand zwischen zwei Stichen kann etwa 2 mm bis etwa 4 mm betragen. Es versteht sich, dass eine Mehrzahl paralleler Nähte verwendet werden kann. Der Abstand der parallelen Nähte beträgt etwa 4 mm bis etwa 11 mm.
Nach dem Vernähen wird das Carbongelege 100 auf eine Temperatur von etwa 50 °C bis etwa 70 °C erwärmt, um den Polyesterfaden zu aktivieren. Der Polymerfaden kann etwa Polyethylenterephthalat, Anastase Titandioxid, Antimontrioxid und Weisses Mineralöl aufweisen.
Anschließend wird Druck mittels Gummiwalzen erzeugt.
Die Carbonfasergelege kann eine Breite von etwa 254 mm und eine relative Masse von etwa 300 g/m² aufweisen.
Das fertiggestellte Carbongelege 100 ist stabil und die Carbonfaserlagen 102, 104 und die Carbonfäden 108, 112 sind zueinander unbeweglich angeordnet. Das Carbongelege hat eine glatte Oberfläche von hoher Qualität ähnlich wie ein Carbonmaterial, das aus sogenannten 12 K-Fäden hergestellt ist. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist somit, dass ein Carbongelege mit einer hohen Oberflächenqualität, einer glatten Oberfläche und einer hohen Stabilität mittels vergleichsweise kostengünstigen Carbonfäden hergestellt werden kann. Ferner weist das erfindungsgemäße Carbongelege einen homogenen Leitwert auf, so dass keine Schäden durch Blitzeinschlag entstehen können.

Claims

Carbongelege (100), aufweisend - eine erste Carbonfaserlage (102) von unidirektionalen parallelen Carbonfäden (108), die in einem ersten Winkelbereich angeordnet sind, der einen Winkel von etwa +30° bis etwa +60° zu einer Längsrichtung des Carbongelege umfasst; und - eine zweite Carbonfaserlage (104) von unidirektionalen parallelen Carbonfäden (112), die in einem zweiten Winkelbereich angeordnet sind, der einen Winkel von etwa -30° bis etwa -60° zu der Längsrichtung des Carbongelege umfasst, wobei die zweite Carbonfaserlage an der ersten Carbonfaserlage angeordnet ist, - wobei sich die erste Carbonfaserlage und die zweite Carbonfaserlage mittels eines thermisch aktivierten Polyesterfadens (106) mittels zumindest einer Naht vernäht sind.
Carbongelege nach Anspruch 1, wobei der ersten Winkelbereich einen Winkel von etwa +40° bis etwa +50°, vorzugsweise von etwa +43° bis etwa +47° gegenüber der Längsrichtung des Carbongelege umfasst.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der zweite Winkelbereich einen Winkel von etwa -40° bis etwa -50°, vorzugsweise von etwa -43° bis etwa -47° gegenüber der Längsrichtung des Carbongelege umfasst.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Carbonfaserlage und/oder zweite Carbonfaserlage je eine relative Masse von etwa 125 g/m² bis etwa 175 g/m², vorzugsweise eine relative Masse von etwa 140 g/m² bis etwa 160 g/m² aufweisen.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Carbonfaserlage und/oder zweite Carbonfaserlage je eine Breite von etwa 200 mm bis etwa 2540 mm, vorzugsweise von etwa 240 mm bis etwa 260 mm aufweisen.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Carbonfaserlage und/oder zweite Carbonfaserlage eine Länge von über etwa 1 m, vorzugsweise von mehr als etwa 3 m, mehr bevorzugt von mehr als 5 m aufweist.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Abstand zwischen Stichen der zumindest einen Naht etwa 1 mm bis etwa 5 mm, vorzugsweise etwa 2 mm bis etwa 4 mm beträgt.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend eine Mehrzahl Nähte, die in Längsrichtung verlaufen, wobei der Abstand zwischen zwei Nähten etwa 4 mm bis etwa 11 mm beträgt.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die unidirektionalen parallelen Carbonfäden der ersten Carbonfaserlage und/oder die unidirektionalen parallelen Carbonfäden der zweiten Carbonfaserlage eine Breite von etwa 20 mm bis etwa 30 mm, vorzugsweise von etwa 24 mm bis etwa 27 mm aufweisen.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die unidirektionalen parallelen Carbonfäden der ersten Carbonfaserlage und/oder die unidirektionalen parallelen Carbonfäden der zweiten Carbonfaserlage eine Höhe von etwa 0,5 mm bis etwa 2 mm aufweisen.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die unidirektionalen parallelen Carbonfäden des ersten Carbongeleges miteinander laminiert sind und/oder die unidirektionalen parallelen Carbonfäden des zweiten Carbongeleges miteinander laminiert sind.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Polyesterfaden eine Feinheit von etwa 40 dtex bis etwa 100 dtex, vorzugsweise von etwa 74 dtex bis etwa 85 dtex aufweist.
Carbongelege nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Längsrichtung des Carbongelege die Produktionsrichtung ist.