DE4032671A1

DE4032671A1 - Schichtkoerper und verfahren zur herstellung dieses schichtkoerpers

Info

Publication number: DE4032671A1
Application number: DE4032671A
Authority: DE
Inventors: Armin Piur; Christian Dr Wuethrich
Original assignee: Micafil AG
Current assignee: Micafil AG
Priority date: 1989-12-07
Filing date: 1990-10-15
Publication date: 1991-06-13

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Schichtkörper gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schichtkörpers.

STAND DER TECHNIK

Hierbei nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Schichtkörpern und von Verfahren zur Herstellung solcher Schichtkörper Bezug, wie er etwa von W.C. Chung et al. als Aufsatz mit dem Titel "Fracture Behavior in Stitched Multi directional Composites" in Mater. Sci. Eng.; A 112 (1989) 157 ff beschrieben ist. Die vorbekannten Schichtkörper werden hergestellt, indem übereinandergestapelte Schichten von Verbundstoffen mittels senkrecht zu den Schichtebenen geführten Fäden vernäht und die so erhaltenen Formlinge in einer Aluminiumgießform bei erhöhter Temperatur und bei erhöhtem Druck ausgehärtet werden. Die solchermaßen herge stellten Schichtkörper weisen gegenüber unvernähten Schichtkörpern eine höhere interlaminare Festigkeit auf, bedingen jedoch einen vergleichsweise aufwendigen Ferti gungsprozeß und enthalten zudem mit dem Nähfaden einen häufig unerwünschten Fremdkörper.

Es ist ferner bekannt, durch Vernadelung die Fasern eines Gewebes quer zur Gewebelage zu orientieren. Hierbei werden die interlaminaren Eigenschaften des aus dem vernadelten Gewebe hergestellten Schichtkörpers verbessert. Zur Vernadelung werden hierbei Vernadelungsmaschinen eingesetzt. Solche Vernadelungsmaschinen weisen im allgemeinen Nadelbretter auf, die mit einer Vielzahl von mit Widerhaken versehenen Nadeln bestückt sind. Die Nadeln können von einer oder von beiden Seiten in das zu verna delnde Textilprodukt einstechen. Das Textilprodukt kann beim Vernadeln zwischen zwei Lochplatten geführt werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 6 de finiert ist, löst die Aufgabe, einen einfach und kostengün stig herstellbaren Schichtkörper hoher interlaminarer Fe stigkeit und Steifigkeit zu schaffen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schichtkörpers anzugeben.

Beim Schichtkörper nach der Erfindung sind Fasern eines in Schichten angeordneten Werkstoffes von jeder der Schichten zumindest durch die benachbart aufliegende Schicht hin durchgeführt. Hierdurch wird eine wesentliche Verstärkung senkrecht zu den vorzugsweise als Gewebe, Gelege oder Matte ausgebildeten Schichten des Werkstoffes erzielt. Diese Ver stärkung bleibt erhalten, wenn beim anschließenden Infil trieren der solchermassen miteinander etwa durch Vernadeln verfilzten Schichten mit einer aushärtbaren Flüssigkeit und beim Aushärten der flüssigkeitsgetränkten Schichten dafür Sorge getragen wird, daß die Schichten nicht gegeneinander verschoben werden oder voneinander abheben.

Der Schichtkörper nach der Erfindung weist eine gleichmäßige Werkstoffstruktur sowie eine hohe interlaminare Fe stigkeit auf. Dies ist dadurch bedingt, daß beim Vernadeln die Zahl der Einstiche sehr hoch sein kann, beispielsweise 100 oder 200 Einstiche pro cm², wohingegen beim Nähen wegen des zu führenden Fadens wesentlich geringere Einstichdich ten erreicht werden und der Faden zudem eine Inhomogenität im Schichtkörper darstellt. Solche werkstoffbedingten Inho mogenitäten entfallen beim Vernadeln vollständig, so daß der Schichtkörper nach der Erfindung lediglich Fasern eines Types enthält. Dies ist von großer Bedeutung bei Verwen dung des Schichtkörpers nach der Erfindung als Isolierstoff in der Elektrotechnik. Zudem kann der Schichtkörper nach der Erfindung eine große Dicke quer zu den Schichtoberflä chen aufweisen, da im Gegensatz zum Nähen kein Faden durch das zu verfestigende Produkt hindurchgeführt werden muß, dessen Durchnählänge stets geringer als die Nadellänge ist, und da ferner eine Vernadelung durch Einstiche auf beiden Seiten des zu verfestigenden Produktes erfolgen kann.

Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich wegen der großen Nadelzahl der hierbei eingesetzten Vernadelungsma schinen sowie wegen deren hohen Taktfrequenzen durch hohe Produktivität aus. Im Gegensatz hierzu kann bei dem erheb lich komplizierteren Nähprozeß lediglich mit einer Nadel oder höchstens einer kleinen Anzahl von Nadeln gleichzeitig gearbeitet werden. Beim Nähen dicker Textilprodukte auftre tende Probleme in der Fadenführung, die zu Fadenriß führen können, entfallen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den ab hängigen Ansprüchen angegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung darge stellt. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen als Platte ausgebildeten Schichtkörper nach der Erfindung,

Fig. 2 einen aus der Platte nach Fig. 1 hergestellten Rundstab,

Fig. 3 eine aus der Platte nach Fig. 1 hergestellte Muffe.

Fig. 4 einen aus der Platte nach Fig. 1 hergestellten Keil.

Fig. 5 eine aus der Platte nach Fig. 1 hergestellte Dop pelhebelprobe.

In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile. In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Platte, welche aus ebenen textilen Schichten 2 aufgebaut ist. Diese Schichten 2 sind durch quer zu den Schichtebenen geführte Fasern miteinander vernadelt. Die Vernadelung ist kenntlich gemacht durch Einstiche 3. Die Schichten 2 sind vorzugs weise als Gewebe und/oder Gelege und/oder Matte ausgebil det, wobei der Werkstoff von Gewebe, Gelege und Matte ins besondere Fasern aus Glas, Aramid, Kohle, Keramik, Thermo plasten oder Naturstoffen enthalten kann. Die Schichten 2 können mehrere Lagen von Gewebe, Gelege oder Matte aufwei sen, können aber auch abwechselnd durch jeweils eine oder mehrere Lagen von Gewebe, Gelege und Matte gebildet sein. Die vernadelten Schichten 2 sind eingebettet in eine Matrix aus einem ausgehärteten Material, wie etwa einem als Duro plast ausgeführten Polymer, oder aus einem erstarrten Mate rial, wie etwa einem als Thermoplast ausgebildeten Polymer, oder einem Metall.

Ein Teil der quer zu den Ebenen der Schichten 2 geführten und durch Einstiche 3 kenntlich gemachten Fasern sind durch zwei oder mehr der Schichten 2 geführt. Hierdurch wird eine besonders gute Vernadelung der textilen Schichten erreicht. Die Einstiche 3 und damit die quer zu den Schichten geführ ten Fasern sind gleichmäßig über die Oberflächen der Schichten 2 verteilt. Daher weist die Platte 1 eine gleichmäßige Werkstoffstruktur mit hoher interlaminarer Festigkeit auf.

Die Platte 1 wurde nach folgendem Verfahren hergestellt:

1) Zwei oder mehr, beispielsweise 16, Lagen eines Glasfa sergewebes, beispielsweise eines bidirektionalen Rovinggewebes von 740 g/m², wurden zu einem Stapel übereinandergeschichtet.
2) Dieser Stapel wurde mit einer Vernadelungsmaschine vernadelt, indem Fasern jeder Schicht zumindest in be nachbart aufliegende Lagen des Glasfasergewebes ge führt werden. Hierbei kam ein Nadeltyp mit 2 Widerha ken am Schaft zum Einsatz. Die Zahl der Einstiche 3 betrug ca. 150 pro cm². Die in Einstichrichtung ver laufenden und eine Verfilzung der Schichten 2 bewir kenden Fasern erstrecken sich teilweise bis auf die Außenflächen des Stapels. Zur Erreichung eines beson ders dichten vernadelten Stapels ist es hierbei von Vorteil, das Vernadeln zwischen zwei zusammengepre ßten Platten, von denen zumindest eine als Lochplatte ausgebildet ist, durchzuführen.
3) Der solchermaßen hergestellte vernadelte Stapel wurde sodann mit einer härtbaren Flüssigkeit, wie beispiels weise heißhärtendem Epoxidharz, infiltriert. Dazu wurde der vernadelte Stapel in eine zwei Metallplatten aufweisende Gießform gelegt. Der Einguß der härtba ren Flüssigkeit erfolgte durch eine Bohrung in der Mitte einer der beiden Metallplatten. Durch ein am Rand angelegtes Teilvakuum wurde das Fließen der Flüssigkeit unterstützt. Ein mit heißhärtendem Epoxidharz getränkter, vernadelter Stapel von Glasfa sergewebe wurde sodann bei 80°C zunächst 4 Stunden und anschließend bei 140°C noch 8 h gehärtet.
Die Härtung erfolgte in einer Presse. Bei Preßdrücken zwischen 1 und 100 bar wurde die interlaminare Festig keit des Preßkörpers gegenüber einem unverpreßten Körper wesentlich verbessert. Besonders hohe interla minare Festigkeiten wurden bei Preßdrücken zwischen 3 und 50 bar und insbesondere bei Werten um ca. 7 bar erreicht.

Die solchermaßen hergestellte Platte 1 kann in einfacher Weise weiterverarbeitet werden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann hieraus ein Rundstab 4 gedreht werden, bei dem die Schichten 2 parallel zur Stabachse und die durch Ein stiche 3 markierten, durch die Schichten geführten Fasern senkrecht zu den Schichtebenen und zur Stabachse verlaufen. Diese Fasern verhindern bei einer Beanspruchung des Stabes auf Torsion ein Aufspalten der einzelnen Schichten 2.

Die Torsionsfestigkeit, definiert als das Maximum des im Torsionsversuch beobachteten Drehmomentes, eines derartig hergestellten Rundstabes lag 20% höher als die Torsionsfe stigkeit eines Vergleichsstabes, der mit nicht vernadeltem Glasgewebe verstärkt worden war.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, kann aus der Platte 1 auch eine Muffe 5 gearbeitet werden. Diese Muffe weist zwei an einen würfelförmigen Verbindungsabschnitt 6 anschließende und sich gegenläufig erstreckende Rohrabschnitte 7 und 8 auf. Diese Rohrabschnitte können jeweils als Einsatz für ein Ende einer Stange dienen. Bei einer Torsionsbeanspru chung der eine Verlängerung dieser Stangen bewirkenden Muffe 5 verhindern die quer zur Stabachse und zu den Schichten 2 geführten Fasern ein Aufspalten der Schichten 2.

Wird wie in Fig. 4 dargestellt, aus der Platte 1 ein Keil 9 gearbeitet, dessen Schichtung im wesentlichen parallel zur Platten- bzw. Keilfläche ausgerichtet ist, so übernehmen die quer zu den Schichten 2 bzw. zur Keilfläche gerichteten Fasern die bei einer Verkeilung auftretenden Scherkräfte. In den Keil 9 eingearbeitete Stege 10, 11, wie sie etwa bei einem Abstützkeil für Statorwicklungen vorgesehen sind, sind durch die vernadelten Fasern gegen Abscherung gesi chert. Sicherungszapfen 12 können daher entfallen. Solche Sicherungszapfen werden bei unvernadelten Schichtkörpern verwendet. Sie sind etwa durch Verkleben quer zu den Schichten 2 in den Keilkörper eingelassen und sichern den Keil gegen Abscherung.

Neben den in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Teilen las sen sich aus dem Schichtkörper nach der Erfindung zahllose weitere Teile herstellen. So können durch mechanisches Be arbeiten hieraus Schraubenbolzen, Muttern und/oder Unter lagscheiben sowie Formteile und Federn, wie insbesondere Blattfedern, gewellte Federn oder Tellerfedern, hergestellt werden.

Muttern mit einem Innengewinde M12 wurden auf folgende Weise hergestellt: 60 Lagen einer Glasfasermatte von 400 g/cm² wurden gestapelt und vernadelt. Anschließend wurde aus diesem Stapel auf ähnliche Weise wie bei Platte 1 ein Schichtkörper hergestellt, aus dem die Muttern herausgear beitet wurden. Die Prüfung erfolgte, indem von beiden Seiten Gewindestangen bis in die Mitte in die Muttern hin eingedreht wurden und indem diese Muttern mittels dieser Gewindestangen auf einer Prüfmaschine zerrissen wurden. Im Vergleich mit Muttern aus einem Vergleichsmaterial, das un vernadelte Glasmatten enthielt, zeigten die Muttern eine Festigkeitssteigerung um einen Faktor 2,5 sowie eine wesentliche Verbesserung der Bearbeitbarkeit.

Blattfedern wurden auf folgende Weise hergestellt: 30 Lagen eines unidirektionalen Glasgewebes (90% der Fasern in Kettrichtung, 10% der Fasern in Schußrichtung) wurden ge stapelt. Anschließend wurde unten und oben zum Stapel eine Decklage aus grobem Glasgewebe (Rovinggewebe 740 g/cm²) oder aus Glasfasermatte hinzugefügt. Der Stapel ein schließlich der Decklagen wurde vernadelt und daraus wie bei Platte 1 beschrieben ein Schichtkörper hergestellt. Im Vergleich mit einem Vergleichsmaterial, das aus nicht ver nadeltem Glasgewebe hergestellt worden war, zeigte die Blattfeder im Kugelfallversuch bei einer Fallenergie von 2 Joule eine Reduktion der durch Delamination geschädigten Fläche um den Faktor 2. Im Vergleich zu einem Vergleichsma terial, das zwar vernadelt worden war, aber keine der ge nannten Decklagen enthielt, zeigt die Blattfeder beim Ver nadeln eine verbesserte Formbeständigkeit.

Der für die mechanischen Eigenschaften des Schichtkörpers nach der Erfindung wesentliche Rißwiderstand wurde anhand der in Fig. 5 dargestellten Doppelhebelprobe 13 überprüft. Hierzu wurde die Probe in Richtung der Schichten 2 einsei tig angerissen und wurden zwei hierbei gebildete Schenkel 14 und 15 der Probe mit einer in Pfeilrichtung wirkenden Kraft F belastet. Der kritische Wert der Energiefreiset zungsrate eines Risses 16 wurde dabei auf die in der Bruch mechanik üblichen Weise gemessen. Die gemessenen Werte des Rißwiderstandes schwankten zwischen 5-6 kN/m. Zum Ver gleich wurde der Rückwiderstand an einer Platte gemessen, die mit einer entsprechenden Anzahl, beispielsweise 16, un vernadelten Lagen desselben Gewebes hergestellt worden war. In diesem Fall wurden mit derselben Meßmethode Rißwider stände zwischen 0,9 bis 1,1 kN/m gemessen. Somit konnte mit Schichtkörpern nach der Erfindung, welche mit vergleichs weise kleinem Aufwand hergestellt worden waren, der Rißwi derstand gegenüber bekannten aus unvernadelten Geweben her gestellten Schichtkörpern etwa verfünffacht werden.

In einem weiteren Vergleichsversuch wurden Gewebe verwen det, die in vernadelter Form bezogen und erst danach gesta pelt und zu einem Schichtkörper verarbeitet wurden. Auch diese Schichtkörper wiesen Rißwiderstände G_IC von ledig lich 0,9 bis 1,1 kN/m auf.

Claims

1. Schichtkörper aus einem in Schichten (2) angeordneten und Fasern enthaltenden Werkstoff sowie einer den Werkstoff einbettenden Matrix aus einem ausgehärteten oder erstarrten Material, bei dem die Schichten (2) quer zur Schichtoberfläche durch Fasern miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Fasern jeder Schicht zumindest durch die benach bart aufliegenden Schichten hindurchgeführt ist.

2. Schichtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Fasern einer Schicht durch minde stens zwei Schichten hindurchgeführt ist.

3. Schichtkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der quer zur Schichtoberfläche verlaufenden Fasern in einem Vernadelungsprozeß durch benachbart aufliegende Schichten (2) geführt ist.

4. Schichtkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er durch beim Vernadeln gleichmäßig über mindestens einen Teil der Schichtoberfläche verteilte Einstiche (3) zumindest teilweise homogen ausgebildet ist.

5. Schichtkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper als Stab (4) oder Rohr ausgebildet ist und eine parallel zur Stab- oder Rohrachse ausgerichtete Schichtung auf weist.

6. Schichtkörper nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper als Platte (1) oder Keil (9) ausgebildet ist und eine im wesentlichen parallel zur Platten- bzw. zur Keilfläche ausgerich tete Schichtung aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Schichtkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß zwei oder mehr Lagen eines Fasern enthaltenden Gewebes und/oder eines Geleges und/oder einer Matte zu einem Stapel übereinandergeschichtet werden,
- daß Fasern des Gewebes und/oder des Geleges und/oder der Matte durch Vernadelung quer zur Oberfläche von Gewebe, Gelege und/oder Matte zumindest in benachbart aufliegende Lagen des Gewebes und/oder des Geleges und/oder der Matte geführt werden, und
- daß der vernadelte Stapel mit einer härtbaren Flüs sigkeit getränkt und ausgehärtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel zwischen zwei zusammengepreßten Plat ten vernadelt wird, von denen zumindest eine als Loch platte ausgebildet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der vernadelte Stapel unter Va kuum mit der härtbaren Flüssigkeit getränkt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum am Rand des vernadelten Stapels ange legt wird, und daß die härtbare Flüssigkeit im Zen trum in den vernadelten Stapel eingegossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aushärtung des infiltrierten Stapels bei einem Preßdruck zwischen 1 bar und 100 bar, vorzugs weise 3 bis 50 bar, erfolgt.