DE69531809T2

DE69531809T2 - Verbesserter Verfahren zum Formen von faserigen Rohrformstrukturen

Info

Publication number: DE69531809T2
Application number: DE1995631809
Authority: DE
Inventors: Philip William Pueblo West Sheehan; Ronnie Sze-Heng Pueblo Liew
Original assignee: Goodrich Corp
Current assignee: Goodrich Corp
Priority date: 1994-07-25
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2015-07-21
Also published as: EP1424423A3; EP0695823A3; US5740593A; EP0695823A2; US5515585A; US5581857A; EP1424423A2; EP1384803A3; US5504979A; EP0695823B1; DE69531809D1; EP1384803A2

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Nadelverfahren zum Bilden faseriger Vorformstrukturen. Die Erfindung ist besonders zum Herstellen faseriger Vorformstrukturen geeignet, die zur nachfolgenden Verarbeitung zu hochtemperaturbeständigen Verbundstrukturen wie Kohlenstoff/Kohlenstoff-Flugzeugbremsscheiben geeignet sind.
Nadelverfahren zur Bildung faseriger Vorformstrukturen zur Verwendung in Verbundstrukturen sind seit vielen Jahren bekannt. Das US-Patent 3 772 115 an Carlson et al. beschreibt ein Verfahren, durch mehrere Faserschichten gleichzeitig oder in einer Abfolge von Vernadelungsschritten vernadelt werden können. Das Nadelverfahren nach Carlson et al. umfaßt das wiederholte Treiben von mehreren Hakennadeln in Faserschichten. Die Hakennadeln verschieben Fasern innerhalb der Schichten; wodurch die Schichten in einer kohärenten Struktur zusammenhaften. Die Struktur kann inkrementierend durch Hinzufügen von Schichten in einer Abfolge von Vernadelungsschritten gebildet werden, wenn die endgültige Struktur zu dick ist, um ein Durchdringen seitens der Nadeln zu ermöglichen. Die Faserschichten weisen Kohlenstoff- oder Graphitgewebe oder Vorläufer derselben auf. Eine nach diesem Verfahren gebildete faserige Vorformstruktur kann zu einer Kohlenstoff-/Kohlenstoff-Verbundstruktur weiterverarbeitet werden, indem eine Kohlenstoffmatrix in der faserigen Vorformstruktur vorgesehen wird, welche die Fasern miteinander bindet. Das Verfahren nach Carlson et al. kann zur Bildung verschiedener Verbundstrukturen dienen, einschließlich Kohlenstoff/Kohlenstoff-Bremsscheiben.
Ein ähnliches Verfahren ist in GB-A-1 549 687 offenbart. Hier wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-/Kohlenstoff-Verbundmaterial offenbart. Die Faserschichten können aus oxidiertem Polyacrylnitrilstoff bestehen und werden in einer Abfolge von Vernadelungsschritten miteinander vernadelt. In einem Beispiel diente das Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoffbremsscheibe.
Ein neueres Verfahren ist in US-A-4 790 052 offenbart. Das Ziel ist es, eine faserige Vorformstruktur mit hoher Gleichmäßigkeit herzustellen. Dies wird durch Vernadeln übereinanderliegender Schichten mit einer "gleichmäßigen Dichte" des Vernadelns durch die Dicke des Artikels erreicht. Die Anfangseindringtiefe ist als Funktion der Anzahl von Schichten bestimmt, die von den Nadeln durchquert werden müssen, beispielsweise ungefähr zwanzig Schichten. Das bekannte Verfahren versucht, diese Tiefe über die Bildung der faserigen Vorformstruktur konstant zu halten, indem bei jedem Hinzufügen einer neuen Schicht die Faserstruktur von den Nadeln weg um eine Entfernung abgesenkt wird, die gleich der Dicke einer vernadelten Schicht ist.
US-A-4 955 123 und Wo-A-92/04492 beschreiben ein Verfahren, durch welches eine Bremsscheibe durch Vernadeln von Ringsektoren gebildet wird. Die Faserstruktur wird um die Dicke einer vernadelten Schicht bei jedem Hinzufügen einer neuen Schicht abgesenkt.
Auf dem Gebiet der faserigen Vorformen werden die durch das Vernadeln erzeugten verschobenen Fasern als "Z-Fasern" bezeichnet, da sie im allgemeinen senkrecht zu den Schichten verlaufen, die eine faserige Vorformstruktur bilden. Die Z-Faserverteilung über eine Bremsscheibe kann eine erhebliche Auswirkung auf die Scheibenabnutzung und auf die Leistung der Bremsscheibe beim Abbremsen oder Anhalten eines Flugzeugs haben. Kein bisher beschriebenes Verfahren berücksichtigt Variationen der faserigen Vorformstruktur, die während des Herstellens der Struktur auftreten. Das Nichtberücksichtigen dieser Variationen kann zu einer Z-Faserverteilung führen, die erheblich von der gewünschten Z-Faserverteilung abweicht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vernadelungsverfahren zu schaffen, das die Variationen der faserigen Vorformstruktur wäh rend des Verfahrens berücksichtigt, wodurch die Z-Faserverteilung in einer Bremsscheibe geregelt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen einzelne Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Erfindung wir im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:
1 eine generelle schematische Anordnung einer Vernadelungsvorrichtung zur Verwendung mit der Erfindung.
2 eine detaillierte Darstellung eines Vernadelungsverfahrens unter Verwendung der Vorrichtung von 1.
3 eine detaillierte Darstellung eines während des Vernadelungsverfahrens der 2 erzeugten Z-Faserbündels.
4A einen ersten Teil eines Verfahrens zum Bestimmen einer Mindestfasertransportstrecke.
4B einen zweiten Teil eines Verfahrens zum Bestimmen einer Mindestfasertransportstrecke.
5A einen ersten Nadeldurchgang in einer Reihe von Nadeldurchgängen nach einem Aspekt der Erfindung.
5B einen zweiten Nadeldurchgang in einer Reihe von Nadeldurchgängen nach einem Aspekt der Erfindung.
5C einen dritten Nadeldurchgang in einer Reihe von Nadeldurchgängen nach einem Aspekt der Erfindung.
5D einen vierten Nadeldurchgang in einer Reihe von Nadeldurchgängen nach einem Aspekt der Erfindung.
6 die geschätzte Flächenposition gegenüber dem Nadeldurchgang für das Vernadelungsverfahren nach den 5A–D.
7A einen ersten Nadeldurchgang in einer Reihe von Nadeldurchgängen nach einem Aspekt der Erfindung.
7B einen zweiten Nadeldurchgang in einer Reihe von Nadeldurchgängen nach einem Aspekt der Erfindung.
7C einen dritten Nadeldurchgang in einer Reihe von Nadeldurchgängen nach einem Aspekt der Erfindung.
7D einen vierten Nadeldurchgang in einer Reihe von Nadeldurchgängen nach einem Aspekt der Erfindung.
8 die geschätzte Flächenposition gegenüber dem Nadeldurchgang für das Vernadelungsverfahren nach den 7A–D.
9 eine Verdichtungskurve, welche die durchschnittliche Dicke der eine faserige Vorformstruktur bildenden Schichten nach dem Vernadeln gegenüber der Zahl der Schichten nach einem Aspekt der Erfindung zeigt.
10 eine Verdichtungskurve, welche die Schichtdicken einer durch Luft abgelegten Bahn gegenüber der Anzahl der Nadeldurchgänge nach einem Aspekt der Erfindung zeigt.
11 und 11A bis 11C, eine diagonale Matrix zum Quantifizieren des permanenten Fasertransports und zum Bestimmen einer kumulativen Menge des permanenten Transports für jede Schicht nach einem Aspekt der Erfindung.
12 die Beziehung bestimmter Variablen zur Vernadelungsverfahrensgeometrie.
13 und 13A und 13B, eine diagonale Matrix zum Quantifizieren des permanenten Fasertransports und zum Verändern einer kumulativen Menge des permanenten Transports für jede Schicht nach einem Aspekt der Erfindung.
14A eine Tabelle zum Bestimmen einer gewünschten Fasertransporttiefe des Nadeldurchgangs 2 der 13.
14B eine Tabelle zum Bestimmen einer gewünschten Fasertransporttiefe des Nadeldurchgangs 3 der 13.
14C eine Tabelle zum Bestimmen einer gewünschten Fasertransporttiefe des Nadeldurchgangs 4 der 13.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen faseriger Vorformstrukturen. Erfindungsgemäße faserige Vorformstrukturen sind für eine nachfolgende Bearbeitung geeignet, bei der eine Bindematrix in der Vorformstruktur angeordnet wird, wodurch eine Verbundstruktur gebildet wird. Die Erfindung ist insbesondere zur Bildung faseriger Vorformstrukturen geeignet, welche für eine nachfolgende Verarbeitung zu Kohlenstoff-/Kohlenstoffstrukturen wie Flugzeugbremsscheiben geeignet sind. Die nachfolgende Verarbeitung umfaßt üblicherweise das Pyrolisieren der Vorformstruktur (wenn diese aus einem Vorläufermaterial besteht) und das Aufbringen einer bindenden Kohlenstoffmatrix. Das Aufbringen der Kohlenstoffmatrix in der Vorformstruktur kann mittels bekannter Verfahren wie Kohlenstoffdampfinfiltration und Kohlenstoffdampfablagerung (CVI/CVD) oder durch wiederholtes Imprägnieren des Substrats mit einem Kohlenstoff enthaltenden Pech oder Harz, das anschließend verkohlt wird, oder durch einen äquivalenten Vorgang erreicht werden. Die Erfindung betrifft nicht das Bilden der Bindematrix oder die Verdichtung der faserigen Vorformstruktur, da diese Verfahren bekannt sind. Zwar erfolgt die Beschreibung im Zusammenhang mit Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien, jedoch ist klar beabsichtigt, daß die Erfindung mit gleichem Nutzen zum Herstellen faseriger Vorformstrukturen für ein anschließendes Verarbeiten zu keramischen Verbundstrukturen und Kohlenstoff/Keramik-Verbundstrukturen verwendet werden kann.
Verschiedene Aspekte der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die 1 bis 13 beschrieben, in denen mit gleichen Bezugszeichen versehene Teile äquivalent sind. Insbesondere ist in 1 eine Vernadelungsvorrichtung 8 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 8 ist zur Bildung einer faserigen Vorformstruktur durch Zusammenfügen mehrerer Faserschichten geeignet, beginnend mit mindestens zwei Faserschichten, denen weitere Faserschichten in einer Reihe von Nadeldurchgängen hinzugefügt werden, und sie ist in 1 lediglich als generelle Anordnung dargestellt, da derartige Vorrichtungen bekannt sind. Beispiele für Vorrichtungen, die zur Verwendung mit der Erfindung geeignet sind, sind in US-A-4 790 052 (im folgenden das Patent'052 genannt), US-A-4 955 123 (im folgenden das Patent '123 genannt) und US-A-5 217 770 (im folgenden das Patent '770 genannt). 1 soll nur die Vernadelungszone einer derartigen Vorrichtung darstellen. Die Erfindung ist somit zur Verwendung mit einer Vorrichtung zum Bilden einer Bahn oder "Platte", wie im Patent '052 beschrieben, oder zum Bilden eines Rings, wie in den Patenten '123 und '770 beschrieben, anpassbar. Jegliche Variation der Form der erzeugten faserigen Vorformstrukturen gilt als in den Rahmen der Erfindung fallend.
1 zeigt ferner eine faserige Vorformstruktur 20 bei der Herstellung in der Vorrichtung B. die faserige Struktur 20 befindet sich auf einem Träger oder einer Bettplatte 12 unter einer Vielzahl von Filzbildungsnadeln 14, die in einer Nadelplatte 16 befestigt sind. Der Träger 12 kann von den Nadeln 14 durchdrungen werden und aus einem durchdringbaren Material, wie geschäumter Kunststoff oder Bürstenborsten, oder aus einem undurchdringbaren Material wie Metall oder Kunststoff mit Löchern bestehen, die mit den Nadeln 14 ausgerichtet sind, um das Durchdringen zu ermöglichen. Die faserige Struktur 20 besteht aus Faserschichten, wobei die obere Schicht eine freiliegende Fläche 44 bildet. Die faserige Struktur wird anschließend einem Nadeldurchgang unterzogen, in dem die mehreren Filzbildungsnadeln 14 wiederholt in die Faserstruktur 20 durch die freiliegende Fläche 44 getrieben wird, während die faserige Struktur 20 in Richtung des Pfeils 34 unter den Filzbildungsnadeln hindurch geführt wird. Der Ausdruck "faserige Struktur" bedeutet in diesem Zusammenhang sämtliche Faserschichten, die auf dem Träger 12 unter den Filzbildungsnadeln 14 während eines gegebenen Nadeldurchgangs angeordnet sind. Der faserigen Struktur können in einem oder mehreren Nadeldurchgängen Schichten hinzugefügt werden, jedoch ist es nicht erforderlich, der faserigen Struktur in jedem Nadeldurchgang eine Faserschicht hinzuzufügen.
Die Filzbildungsnadeln 14 sind in einer bekannten Anordnung angeordnet. Mehrere Reihen können parallel zueinander angeordnet sein, so daß die gesamte Breite der faserigen Struktur 20 in jedem Nadeldurchgang vernadelt wird. Die Anordnung der Filzbildungsnadeln 14 bildet eine vernadelungszone 32.
Die Filzbildungsnadeln 14 werden durch einen Antriebsmechanismus 18 getrieben, der das Nadelbrett 16 reziprozierend über einen festen Bewegungsbereich bewegt. Die mehreren Filzbildungsnadeln verschieben somit Fasern unter den Schichten der faserigen Struktur 20, wodurch "Z-Faserbündel" gebildet werden, die sich zwischen Schichten im wesentlichen senkrecht zu den Schichtgrenzflächen erstrecken. Weitere Schichten werden über vorherigen Schichten angeordnet und weiteren Nadeldurchgängen unterzogen, wodurch die zusätzlichen Schichten mit den vorherigen Schichten verbunden werden. Weitere Schichten werden hinzugefügt, bis eine endgültige erwünschte Dicke erreicht ist. Die faserige Struktur 20 kann dann weiteren Nadeldurchgängen ohne das Hinzufügen zusätzlicher Schichten unterzogen werden. Die fertige faserige Vorformstruktur 20 kann in nachfolgenden Vorgängen in bekannter Weise wie beschrieben verarbeitet werden.
Ein Trägereinstellmechanismus 22 stellt die Trägerposition in Bezug auf die mehreren Filzbildungsnadeln 14 auf bekannte Weise ein. Der Trägereinstellmechanismus weist eine Spindel 24 und eine Motor/Getriebeeinrichtung 26 auf. Eine Steuervorrichtung 28 steuert den Trägereinstellmechanismus 22 über die Steuerleitung 30 wie zum genauen Positionieren des Trägers 12 relativ zur Vielzahl der Filzbildungsnadeln 14 erforderlich. Der Träger 12 wird in Richtung des Pfeils 34 derart getrieben, daß die mehreren Filzbildungsnadeln 14 wiederholt in die freiliegende Fläche 44 entlang der Länge der faserigen Struktur 20 getrieben werden können. Der Träger kann anschließend in Richtung des Pfeils 36 getrieben werden, wodurch die faseriger Vorformstrukturen in entgegengesetzte Richtung vernadelt werden, wie im Patent '052 beschrieben. Der Träger würde normalerweise nur in eine Richtung bewegt, wenn eine Ringform hergestellt wird, wie in den Patenten '123 und '770 beschrieben. Der Träger 12 kann ferner kontinuierlich getrieben werden, während die Nadeln in die faserige Struktur 20 getrieben werden, oder der Träger kann mit dem Antriebsmechanismus 18 derart synchronisiert sein, daß der Träger 12 kurzfristig anhält, wenn die Nadeln 14 in die faserige Struktur 20 getrieben werden. All diese Varianten gelten als in den Rahmen der Erfindung fallend. Die verschiedenen Teile der Vorrichtung 8 können ferner auf verschiedene offensichtliche Weise ausgerichtet sein, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann die Vorrichtung auf eine Seite gedreht oder gar umgekehrt werden, wenn eine bestimmte Anwendung eine derartige Anordnung erfordert.
Ein Verfahren nach einem Aspekt der Erfindung ist in 2 dargestellt, wobei eine faserige Struktur 20 mit mindestens zwei Faserschichten 40a–40i unter den mehreren Filzbildungsnadeln 14 auf einem Träger 12 angeordnet ist. Wie dargestellt kann die faserige Struktur 20 eine Vielzahl von übereinanderliegenden Schichten aufweisen und der Stapel der Schichten kann so dick werden, daß die Filzbildungsnadeln 14 nicht die gesamte faserige Struktur durchdringen können. Eine obere Faserschicht 40a ist über den unteren Faserschichten 40b, 40c, 40d, 40e, 40f, 40g, 40h und 40i angeordnet, wobei die obere Schicht 40a eine freiliegende Fläche 44 bildet. Bei diesem Beispiel wird die obere Schicht 40a nicht mit der Schicht 40b verbunden, bis sie einem Nadeldurchgang unterzogen wird, in dem die Faserschichten 40a–40i unter den mehreren Filzbildungsnadeln 14 hindurch geführt werden, wobei die mehreren Filzbildungsnadeln 14 wiederholt durch die freiliegende Fläche 44 in die faserige Struktur getrieben werden, wie in gestrichelten Linien dargestellt, und zwar tief genug, um Fasern von der Schicht 40a permanent in die untere benachbarte Schicht 40b zu bewegen. Der Nadeldurchgang verbinden die obere Schicht 40a mit der Schicht 40b durch das permanente Transportieren von Fasern von der oberen Schicht 40a in die Schicht 40b und andere tiefere benachbarte Schichten.
Nach einem Aspekt der Erfindung werden Fasern permanent von einer gewählten Gruppe 46 von Schichten in jedem Nadeldurchgang bewegt. Die Gruppe von Schichten kann sich von einem Nadeldurchgang zum nächsten ändern. Die Wahl der Gruppe von Schichten ist eine Frage des Vorformdesigns entsprechend den gewünschten endgültigen Vorformeigenschaften und ist nicht Teil der Erfindung. Bei der Ausführung der Erfindung umfaßt die Gruppe der Schichten zumindest die obere Schicht 40a. die Gruppe von Schichten weist vorzugsweise die obere Schicht 40a und wenigstens eine benachbarte Schicht 40b auf. Bei dem in 2 dargestellten Beispiel umfaßt die Gruppe 46 die Schichten 40a, 40b und 40c. die Gruppe der Schichten kann in zahlreichen Anwendungen mehr als drei Schichten enthalten.
3 zeigt ein Bündel von Z-Fasern, das durch eine einzelne Filzbildungsnadel 14 erzeugt wurde und sich durch die obere Schicht 40a und hinunter durch die faserige Struktur in die Schichten 40b–40g erstreckt. Die Filzbildungsnadel 14 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit auf einer Seite der faserigen Struktur dargestellt. Die Filzbildungsnadel 14 hat eine Spitze 74 und einen der Spitze 74 nächsten ersten Haken 68, einen von der Spitze 74 weiter entfernten und vom ersten Haken 68 beabstandeten zweiten Haken 70 und einen von der Spitze 74 weiter entfernten und vom zweiten Haken 70 beabstandeten dritten Haken 72 auf. Weitere Gruppen von Haken können wie gezeigt beabstandet an der Filzbildungsnadel 14 vorgesehen sein. In dem dargestellten Beispiel greifen und transportieren die Haken 68, 70 und 72 Fasern von den Schichten 40a–40f, wenn die Filzbildungsnadel 14 in diese Schichten getrieben wird.
Allgemein als Kohlenstoffvorläufermaterialien verwendet Fasern, wie Polyacrylnitril-Fasern (PAN) und oxidierte Polyacrylnitril-Fasern (OPF) haben elastische Eigenschaften, welche das Zurückziehen der Fasern in die Schicht, aus der sie kommen, bewirken, es sei denn sie werden um einen Mindestbetrag bewegt. Wenn die Faserschichten aus langen oder durchgehenden Filamenten bestehen, wird ein Fasertransport nicht erreicht, bis die Fasern weit genug transportiert sind, um ein Reißen der Fasern zu bewirken. Temperatur und Feuchtigkeit wirken sich hierbei möglicherweise aus. In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck "permanenter Fasertransport", daß die Filzbildungsnadeln 14 Fasern von einer Schicht in wenigstens eine benachbarte Schicht während eines gegebenen Nadeldurchgangs transportieren, welche nach dem Zurückziehen der Filzbildungsnadeln 14 aus der faserigen Struktur 20 transportiert bleiben. Ein Erhöhen der Fasertransporttiefe um nur 0,5 mm kann zu einem Übergang von einem nicht gegebenen permanenten Fasertransport zu einem permanenten Fasertransport führen. Die mehreren Filzbildungsnadeln 14 greifen und transportieren zusammen ein Faseraggregat aus der Gruppe von Schichten während des Nadelvorgangs und weniger als 100% des Aggregats wird permanent transportiert, wenn die die Faserschichten bildenden Fasern sich in die Ursprungsschicht zurückziehen, wie zuvor beschrieben.
Die Faserlänge, die Faserkrümmung und das Faseroberflächenfinish können ebenfalls den permanenten Fasertransport beeinflussen. Stapelfasern, gecrimpte Fasern oder Fasern mit rauher oder schuppiger Oberfläche (ähnlich Wolle) neigen weniger zu einem Zurückziehen in ihre ursprüngliche Schicht. Die Mindestentfernung für Faserschichten bestehend aus Fasern mit einem oder mehreren dieser Merkmale kann erheblich geringer als die Mindestentfernung für Faserschichten bestehend aus glatten, nicht gecrimpten, durchgehenden Fasern der gleichen Zusammensetzung sein. In diesem Fall kann die Mindestentfernung wenigsten einen geringen Schwellenwert aufweisen, da Fasern wenigstens über eine bestimmte Entfernung transportiert werden müssen, um die Faserschichten zu verbinden. Bei Fasern mit diesen Eigenschaften können im wesentlichen 100% des von den mehreren Filzbildungsnadeln 14 ergriffenen Faseraggregats permanent transportiert werden, da die die Faserschichten bildenden Fasern nur geringe Neigung zum Zurückziehen in die Ursprungsschichten aufweisen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine gewünschte Fasertransporttiefe 48 in Bezug auf die obere Schicht 40a bestimmt, welche ausreicht einen permanenten Fasertransport aus der gewählten Gruppe von Schichten 46 zu erreichen, ohne eine erhebliche Menge Fasern aus mehr als der gewählten Gruppe von Schichten 46 permanent zu transportieren. Wenn die Faserschichten elastische Eigenschaften haben, wird kein permanenter Fasertransport erreicht, bis die Transporttiefe die Mindestentfernung 50 überschreitet.
Beispielsweise werden Fasern auf eine Tiefe 52, die größer als die Mindesttiefe 50 ist, von der Schicht 40a transportiert, was bedeutet, daß die aus der Schicht 40a transportierten Fasern permanent transportiert werden. Glei chermaßen werden Fasern von den Schichten 40b und 40c auf die Tiefen 54 und 56 transportiert, welche größer als die Mindestentfernung 50 sind, d. h., daß die aus den Schichten 40b und 40c transportierten Fasern permanent transportiert sind. Die Fasern werden auf die Tiefen 58, 60, 62 und 64, welche geringer als die Mindestentfernung 50 sind, aus den Schichten 40d, 40e, 40f und 40g transportiert, was bedeutet, daß die aus den Schichten 40d bis 40g transportierten Fasern nicht permanent transportiert sind. Die aus diesen Schichten transportierten Fasern ziehen sich in diese Schichten zurück. Somit sind Fasern permanent aus der Gruppe von Schichten transportiert, ohne daß eine erhebliche Menge an Fasern aus mehr als der Gruppe 46 von Schichten permanent transportiert ist.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Bestimmen der Mindestentfernung 50 ist in den 4A und 4B dargestellt. In 4A ist eine erste Faserschicht 76 über einer zweiten Faserschicht 78 angeordnet, wobei die erste Faserschicht 76 eine freiliegende Fläche 80 bildet. Die zweite Faserschicht 78 ist über dem Träger 12 angeordnet. Die erste Faserschicht 76 ist im wesentlichen der oberen Schicht 40a der 3 ähnlich und die zweite Faserschicht 78 ist im wesentlichen ähnlich der Schicht 40b der 3. wie des weiteren in 4A dargestellt werden Fasern von der ersten Schicht 78 durch wiederholtes Treiben einer Vielzahl von Filzbildungsnadeln in die freiliegende Fläche 80 durch die erste Schicht 76 und in die zweite Schicht 78 auf eine Weise transportiert, die im wesentlichen ähnlich dem Nadelverfahren zur Bildung der faserigen Vorformstruktur nach den 1–3 ist, wobei Filzbildungsnadeln 14 verwendet werden, die im wesentlichen ähnlich denen sind, die im Nadelverfahren verwendet werden. Aus Klarheitsgründen ist nur eine Nadel und ein Haken dargestellt. Der Träger 12 ist von Löchern 15 durchsetzt, welche mit den nadeln 14 ausgerichtet sind und das Eindringen der Nadeln 14 in den Träger 12 wie dargestellt ermöglichen. Die Faserschichten 76 und 78 werden unter den Filzbildungsnadeln 14 in Richtung des Pfeils 90 hergeführt, während die Nadeln in die Faserschichten getrieben werden, beginnend mit der Fasertransporttiefe 82. wie dargestellt werden Z-Faserbündel 84 erzeugt, die sich jedoch in die obere Schicht zurückziehen, da die Faser nicht über eine ausreichend große Entfernung von der oberen Schicht 76 weg transportiert wurde. Der Teil des Z-Faserbündels, der sich zurückzieht ist in gestrichelten Linien dargestellt. Nach 4B wird die Fasertransporttiefe (durch Bewegen des Trägers 12 in Richtung der mehreren Filzbildungsnadeln 14) erhöht, bis die erste Schicht gerade beginnt, an der zweiten Schicht 78 zu haften, so daß die Fasertransporttiefe 86 der Mindestentfernung 50 entspricht. Die erste Schicht beginnt, an der zweiten Schicht 78 zu haften, da die Transporttiefe 86 eine Größe hat, die ausreicht, Fasern permanent von der oberen Schicht 76 zu transportieren, wodurch permanente Faserbündel 88 gebildet werden, welche die beiden Schichten verbinden.
Die Mindestentfernung 50 kann ebenfalls durch Anordnen der Faserschicht 76 über eine Vielzahl zuvor vernadelten Schichten (eine faserige Struktur oder "Platte") und durch Ausführen des Vorgangs des Vergrößerns Ner nadeleindringtiefe bis die Schicht 76 festgeheftet ist, bestimmt werden. Dieser Ansatz kann die Mindestentfernung 50 genauer quantifizieren, da die Faserstruktur zwei Schichten nur zu Beginn des Bildens der faserigen Vorformstruktur umfaßt (wie in 4 dargestellt). Bei nur zwei Schichten erstrecken sich die Z-Faserbündel unter die untere Schicht in den Träger. Während des größten Teils des Verfahrens wird eine obere Schicht über eine zuvor zusammengefügte faserige Struktur angeordnet und einem Nadeldurchgang unterzogen (wie in 2 dargestellt) und die Z-Faserbündel sind vollständig in der faserigen Struktur enthalten (wie in 3 dargestellt). Das Quantifizieren der Mindestentfernung nach dem Verfahren der 4 hat sich in der Praxis der Erfindung als sehr geeignet herausgestellt.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist jede von der Faserschichten 40 drei unidirektionale Unterschichten aus OPF Faser auf, welche leicht miteinander zu einer kohärenten Schicht vernadelt, wobei die Faserrichtung jeder Unterschicht um 60° in Bezug auf die benachbarte Unterschicht gedreht ist, wie im Beispiel 1 des Patents '053 beschrieben. Die rich tungsmäßige Ausrichtung jeder Schicht wird durch kreuzendes Überlappen einer ersten unidirektionalen Bahn mit einer zweiten längsgerichteten Bahn vor dem Vernadeln erreicht. Die Bahnen bestehen vorzugsweise aus OPF Fasertauen, die jeweils aus 320000 Filamenten bestehen. Ein OPF Tau zur Verwendung in der Praxis der Erfindung ist von RK Carbon Fibers Limited, Muir of Ord, Schottland und Zoltek Corporation, St. Louis, Missouri, USA erhältlich. Unoxidierte PAN Faser ("Greige Tow") ist von Courtaulds Advanced Materials, Great Coats Grimsby, South Humberside, England, erhältlich. Die nach 4 ermittelte Mindestentfernung bei zwei dieser überlappten OPF Schichten betrug 6,5 bis 7,0 mm mit Filzbildungsnadeln nach der Katalognummer 15x18x36x3,5 C333 G 1002, erhältlich von Groz-Beckert, Deutschland. Die Schichten begannen bei einer Eindringtiefe von ungefähr 6,5 mm gerade aneinander zu haften und hafteten vollständig bei 7,0 mm aneinander. Die OPF Fasern dieses Beispiels hatten keine oder wenig Crimpung und eine sehr glatte Oberfläche. Die Mindestentfernung ist prozessabhängig von den Eigenschaften und Merkmalen der Faserschichten und des bei der Herstellung der faserigen Vorformstruktur verwendeten besonderen Vernadelungsverfahrens. Die Mindestentfernung wird empirisch bestimmt.
Die Transporttiefe muß mit einer gewissen Sicherheit bekannt sein, um den permanenten Fasertransport zu quantifizieren. Wie in den 3 und 4 dargestellt, wird die Fasertransporttiefe in bezug auf die obere Schicht 40a bestimmt. Wie in 2 dargestellt ist die Fasertransporttiefe vorzugsweise in bezug auf eine geschätzte Flächenposition 92 der freiliegenden Fläche 44 unter den Nadeln 14 während des Vernadelungsvorgangs bestimmt. Die freiliegende Fläche 44 bewegt sich von den Nadeln während des Nadeldurchgangs, was zumindest teilweise auf die Kompaktierung der oberen Schicht 40a zurückzuführen ist, während die faserige Struktur die Vernadelungszone 32 durchläuft. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die geschätzte Flächenposition 92 für jeden Nadeldurchgang durch das Bestimmen einer Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 der freiliegenden Fläche 44, das Bestimmen einer Nach-Vernadelung-Flächenposition 96 der freiliegenden Fläche 44 und das Bestimmen der geschätzten Flächenposition 94 während des Vernadelns bestimmt, indem die Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 und die Nach-Vernadelung-Flächenposition 96 Bemittelt werden.
Die Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 kann durch einen Wandler 98 aktiv bestimmt werden, wie in 1 dargestellt, der eine Flächenfolgeeinrichtung 100 aufweist, welche die Position der freiliegenden Fläche 44 verfolgt, bevor die faserige Vorformstruktur einer Vernadelung unter den Filzbildungsnadeln 14 unterzogen wird. Die Nach-Vernadelung-Flächenposition kann durch einen zweiten Wandler 102 mit einer Flächenfolgeeinrichtung 104 aktiv bestimmt werden, welche die Position der freiliegenden Fläche 44 nach dem Vernadeln der faserigen Vorformstruktur unter den Filzbildungsnadeln 14 verfolgt. Die Flächenpositionsinformationen des ersten und des zweiten Wandlers 98 und 102 werden an einen Controller 28 über Wandlerleitungen 106 und 108 geleitet. Der Controller 28 verarbeitet die Signale und bestimmt die geschätzte Flächenposition an jedem Punkt des Verfahrens.
Die Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 und die Nach-Vernadelung-Flächenposition 96 und somit die geschätzte Flächenposition 92 können auch durch vorab erfolgendes Bilden einer im wesentlichen ähnlichen faserigen Vorformstruktur in einem im wesentlichen ähnlichen Verfahren und durch Bestimmen der Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 und der Nach-Vernadelung-Flächenposition 96 während der Bildung der im wesentlichen ähnlichen faserigen Vorformstruktur bestimmt werden. Dieser Aspekt wird in Zusammenhang mit den 6 und 8 näher erörtert.
Die 5A–5D zeigen ein Verfahren nach einem Aspekt der Erfindung zum Herstellen einer faserigen Vorformstruktur durch Zusammenheften mehrerer Faserschichten beginnend mit zwei Faserschichten 108 und 110, denen zusätzliche Faserschichten 112, 114 und 116 hinzugefügt werden. Wie in 5A dargestellt beginnt das Vernadeln mit zwei Schichten 108 und 110, die auf dem Träger 12 unter den mehreren Filzbildungsnadeln 14 angeordnet sind. Jede der Schichten 108, 110, 112, 114 und 116 weist drei unidirektionale Unterschichten von OPF Fasern auf, die leicht zu einer kohärenten Schicht vernadelt sind, wie zuvor beschrieben. Der Träger 12 besteht aus Metall und ist von Löchern durchsetzt, in welche die Nadeln 14 eindringen können. Die Nadeln 14 sind in den 5A–5D in ihrer am weitesten unten gelegenen Position dargestellt. In 5A werden Fasern in einem ersten Nadeldurchgang permanent aus der Schicht 110 durch die Schicht 108 und in den Träger 12 transportiert, während der Träger 12 in Richtung des Pfeils 118 bewegt wird. Ein perforierter Träger, wie der Träger 12, greift die transportierten Fasern nicht und die Schichten 108 und 110 werden durch den Vernadelungsvorgang nicht wesentlich kompaktiert. Die Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 und die Nach-Vernadelung-Flächenposition 96 sind ungefähr gleich. Dies war eine überraschende Entdeckung.
In 5B wird eine zusätzliche Faserschicht 112 den Schichten 108 und 110 in einem zweiten Nadeldurchgang hinzugefügt, während der Träger in Richtung des Pfeils 120 getrieben wird. An diesem Punkt beginnen die Schichten 108 und 110 kompaktiert zu werden und die Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 liegt über der Nach-Vernadelung-Flächenposition 96, was zur geschätzten Flächenposition 92 führt. Eine weitere Faserschicht 114 wird in 5C hinzugefügt und mit den Schichten 108, 110, 112 in einem dritten Nadeldurchgang vernadelt, während der Träger in Richtung des Pfeils 122 getrieben wird. Die Schicht 114 und Schichten 108, 110 und 112 werden etwas stärker kompaktiert. In 5D wird eine weitere Faserschicht 116 in einem vierten Nadeldurchgang hinzugefügt und mit den Schichten 108, 110, 112, 114 vernadelt, während der Träger in Richtung des Pfeils 122 bewegt wird. Die obere Schicht 116 wird kompaktiert und die Schichten 108, 110, 112 und 114 werden stärker kompaktiert. Die freiliegende Fläche, in welche die Nadeln getrieben werden, bewegt sich somit während des Vernadelns von den Nadeln weg, was zumindest teilweise an der Kompaktierung der oberen Schicht und teilweise an der Kompaktierung in dem Stapel der Schichten unter der oberen Schicht liegt. Bei einigen Vernadelungsvorgän gen wechselt die Bewegungsrichtung des Trägers von einem Nadeldurchgang zum nächsten. Jede derartige Variation gilt als in den Rahmen der Erfindung fallend.
Ein Beispiel der Beziehung zwischen der Flächenposition und dem Nadeldurchgang, die in dem Verfahren nach den 5A–5D dargestellt sind, ist in 6 dargestellt. Der Nadeldurchgang 1 gibt die 5A wieder, in dem zwei Schichten unter den Filzbildungsnadeln angeordnet sind und die Vor-Vernadelung-Flächenposition ungefähr gleich der Nach-Vernadelung-Flächenposition ist. Vor jedem Nadeldurchgang wird, beginnend mit dem Nadeldurchgang 2, eine andere Schicht hinzugefügt. Der Nadeldurchgang 2 repräsentiert 5B, in der drei Schichten unter den Filzbildungsnadeln angeordnet sind. Wie in 6 dargestellt, beginnt das Kompaktieren dieser Schichten. In den Nadeldurchgängen 3 und 4, die den 5C und 5D entsprechen, werden weitere Schichten hinzugefügt. Daten aus dem Hinzufügen von zwei Schichten in den Nadeldurchgängen 5 und 6 sind ebenfalls dargestellt. Die geschätzte Flächenposition für jeden Vernadelungsschritt ist dargestellt, die im wesentlichen der Mittelwert zwischen der Vor-Vernadelung-Flächenposition und der Nach-Vernadelung-Flächenposition in jedem Nadeldurchgang ist. Ein Kompaktierungsfaktor F ist ebenfalls für jeden Nadeldurchgang dargestellt. Der Kompaktierungsfaktor gibt einen Versatz von der Nach-Vernadelung-Dicke eines jeweiligen Nadeldurchgangs an und ergibt die geschätzte Flächenposition in Bezug zur Nach-Vernadelung-Flächenposition an. Eine Kompensation der Kompaktierung in der oberen Schicht und den unteren Schichten ergibt sich somit aus dem Kompaktierungsfaktor. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Kompaktierungsfaktor eines bestimmten Nadeldurchgangs durch Subtrahieren der Nach-Vernadelung-Dicke der faserigen Struktur von der Vor-Vernadelung-Dicke der faserigen Struktur und durch Dividieren durch zwei berechnet. Der Kompaktionsfaktor kann in einem Verfahren verwendet werden, das die Z-Faserverteilung in der Dicke einer faserigen Vorformstruktur charakterisiert oder manipuliert. Dieser Aspekt der Erfindung wird in Zusammenhang mit der 11 und den Gleichungen 7 und 8 erörtert.
Ein anderer Vorgang, der ebenfalls einen Aspekt der Erfindung darstellt, ist in den 7A–7D dargestellt. Die mehreren Filzbildungsnadeln 14 sind in ihrer tiefsten Position in den 7A–7D dargestellt. In 7A ist eine Schicht 128 über dem Träger 12 unter den mehreren Filzbildungsnadeln 14 angeordnet. Der Träger 12 besteht aus Metall und ist von Löchern durchsetzt, in welche die Nadeln 14 eindringen können. Eine weitere Schicht 130 ist über der Schicht 128 angeordnet. Die Schicht 130 umfaßt drei unidirektionale Unterschichten aus OPF Fasern, die zu einer kohärenten Schicht vernadelt sind, wie zuvor beschrieben. Die Schicht 128 ist eine vorgenadelte luftabgelegte OPF Bahn von 800g/m² wie in EP-A 0 530 741 beschrieben. Die Schicht 128 ist vor dem ersten Nadeldurchgang der 7A ungefähr 3 Millimeter dick. Die vorgenadelte Dicke der Schicht 128 ist daher erheblich größer als die vorgenadelte Dicke der Schicht 130. Die Schicht 130 wird mit der Schicht 128 in einem ersten Nadeldurchgang vernadelt, während der Träger 12 in Richtung des Pfeils 138 bewegt wird.
In 7A werden die Schichten 128 und 130 während des ersten Nadeldurchgangs erheblich kompaktiert (im Gegensatz zu den Schichten 108 und 110 der 5A), was zu einer großen Veränderung von der Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 zur Nach-Vernadelung-Flächenposition 96 führt. Das Kompaktieren der Schicht 128 während des ersten Nadeldurchgangs beruht auf verschiedenen Faktoren. Die Schicht 128 besteht aus kurzen Fasern mit einer mittleren Länge von 25 Millimetern oder weniger, gemessen nach ASTM D 1440, welche kein starkes elastisches Veralten beim Vernadeln zeigen. Anders ausgedrückt: jede aus oder in der Schicht 128 durch die Filzbildungsnadeln 14 transportierte Faser wird permanent transportiert, da die Fasern kurz sind und geringe Neigung zum Zurückziehen in ihre Ausgangspositionen haben. Die Schicht 128 ist auch dick genug, einen permanenten Fasertransport zu ermöglichen, der vollständig in der Schicht beginnt und endet. Ferner ist die Schicht 128 dick genug, um aus der Schicht 130 transportierte Fasern zu greifen. Schließlich ist die Schicht 128 kompaktierbarer, da sie dick ist und weniger Faservolumen hat (Faser pro Volumeneinheit) und nicht zuvor einer stärkeren Vernadelung unterzogen wurde.
In 7B wird eine zusätzliche Faserschicht 132 in einem zweiten Nadeldurchgang hinzugefügt und kompaktiert, während der Träger 12 in Richtung des Pfeils 140 getrieben wird. Die Schichten 128 und 130 werden weiter kompaktiert, was zu einer Veränderung von der Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 zu der Nach-Vernaderung-Flächenposition 96, was zur geschätzten Flächenposition 92 führt. Weitere Faserschichten 134 und 136 werden hinzugefügt und in einem dritten und vierten Nadeldurchgang vernadelt, während der Träger 12 in Richtung der Pfeile 142 und 144 getrieben wird, wie in den 7C und 7D dargestellt. Diese Nadeldurchgänge bewirken eine weitere Kompaktierung der zuvor vernadelten Schichten die freiliegende Fläche, in welche die Nadeln getrieben werden, bewegt sich in den Nadeldurchgängen wiederum von den Nadeln weg, teilweise wegen der Kompaktierung in der oberen Schicht und teilweise wegen der Kompaktierung im Stapel der Schichten unter der oberen Schicht.
Ein Beispiel für die Flächenposition in Bezug zum Nadeldurchgang, welches das Verfahren nach den 7A–7D darstellt, ist in 8 gezeigt. Der Nadeldurchgang 1 repräsentiert 7A, in der zwei Schichten unter den Filzbildungsnadeln angeordnet sind. Wie in 8 dargestellt induziert der Nadeldurchgang 1 eine relativ starke Änderung von der Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 zu der Nach-Vernadelung-Flächenposition 96. Eine weitere Schicht wird vor jedem weiteren Nadeldurchgang beginnend mit dem Nadeldurchgang 2 hinzugefügt. Der Nadeldurchgang 2 repräsentiert 7B, in der drei Schichten unter den Filzbildungsnadeln angeordnet sind. Wie in 8 dargestellt ist die Veränderung von der Vor-Vernadelung-Flächenposition 94 zu der Nach-Vernadelung-Flächenposition 96 geringer als im vorherigen Nadeldurchgang. Weitere Schichten werden in den Nadeldurchgängen 3 und 4 hinzugefügt, welche den 7C und 7D entsprechen. Daten aus dem Hinzufügen von sechs Schichten in den Nadeldurchgängen 5–10 sind ebenfalls dargestellt. Die geschätzte Flächenposition für jeden Nadeldurchgang ist dargestellt, welche im wesentlichen das Mittel zwischen der Vor-Vernadelung-Flächenposition und der Nach-Vernadelung-Flächenposition für jeden Nadeldurchgang ist. Der Kompaktierungsfaktor F ist ebenfalls dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Kompaktierungsfaktor der 8 einen erheblich anderen Trend als der Kompaktierungsfaktor der 6 hat.
Versuche haben gezeigt, daß die geschätzte Flächenposition gegenüber dem Nadeldurchgang und dem Kompaktierungsfaktor nach den 6 und 8 sich nicht wesentlich von einer faserigen Vorformstruktur zur nächsten ändert, solange die faserigen Vorformstrukturen im wesentlichen ähnlich und in im wesentlichen ähnlichen Verfahren hergestellt sind. Die geschätzte Flächenposition und der Kompaktierungsfaktor für jeden Nadeldurchgang kann daher aus einer zuvor erstellten Beziehung abgeleitet werden. In diesem Fall wird die Beziehung durch vorab erfolgendes Bilden einer im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur in einem im wesentlichen gleichen Verfahren und durch Bestimmen der geschätzten Flächenposition während des Bildens der im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur erstellt. Die 6 und 8 zeigen derart vorab erstellte Beziehungen, die nachfolgend bei der Herstellung anderer im wesentlichen ähnlicher faseriger Vorformstrukturen verwendet werden können.
Variationen bei der Kompaktierung können verschieden Ursachen haben. Die 5 und 6 betreffen eine Situation, in der die ersten beiden Faserschichten während des ersten Nadeldurchgangs nicht wesentlich kompaktiert werden. Die Kompaktierung dieser Schichten entsteht in nachfolgenden Nadeldurchgängen. Die 7 und 8 betreffen eine Situation, in der eine der Anfangsschichten relativ dick ist und oim ersten Nadeldurchgang kom paktiert wird, jedoch während nachfolgender Nadeldurchgänge weiter kompaktiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ausreichend flexibel, um beide Situationen zu meistern, und die Anwendung der Erfindung ist nicht auf diese Beispiele begrenzt. Das Kompaktieren kann auf verschiedene Arten je nach den Merkmalen der Faserschichten und dem jeweiligen Vernadelungsverfahren und der Vorrichtungen geschehen und kann durch das erfindungsgemäße Prinzip bewältigt werden. Die 5 bis 8 wurden ferner aus faserigen Vorformstrukturen abgeleitet, die auf einer perforierten Bettplatte ausgebildet wurden, die die transportierten Fasern nicht greift, wie zuvor beschrieben. Ein Träger aus Schaumstoff oder aufrechten Bürstenborsten kann die transportierten Fasern effizienter greifen. Einigen Kompaktierungseffekte können weiterhin auftreten und können entsprechend den erfindungsgemäßen Prinzipien angegangen werden. Jede derartige Variation gilt als in den Rahmen der Erfindung fallend.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung kann der permanente Fasertransport von jeder Schicht in der Gruppe von Schichten quantifiziert werden. Das Identifizieren des genauen Betrags an aus jeder Schicht transportierten Fasern ist jedoch in der Praxis der Erfindung nicht erforderlich. "Genauer Betrag" bedeutet hier das Identifizieren einer bestimmten Menge an Fasern für jede Schicht, die aus dieser Schicht permanent transportiert wurde, oder die Anzahl der aus dieser Schicht transportierten Fasern, oder eine ähnliche Quantifizierung. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Erzeugen eines relativen Vergleichs zwischen der Transporteffizienz und der resultierenden Z-Fasererzeugung in jeder Schicht der faserigen Vorformstruktur oder in jeder Stufe des Verfahrens vorgesehen. Dies ist ein erheblicher Vorteil, da das Verfolgen und Identifizierung der Faserlast und der Entlastung eines bestimmten Hakens beim Durchlaufen der Fasern gegenwärtig extrem schwierig ist. Bei den hier zur Beschreibung der Erfindung erörterten Faserschichten und Vernadelungsverfahren werden die Haken einer Nadel beinahe sofort nach den Durchdringen der freiliegenden Fläche komplett beladen. Die Haken werden durch Faserreißen in gewissem Maß entladen, wenn sie in die unteren Schichten eindringen. Die Haken greifen mehr Fasern aus jeder Schicht, welche sie durchdringen, während sie sich entladen. Somit sind die meisten Fasern des Z-Bündels 66 der 3 aus der Schicht 40a und kleinere Teile kommen aus den Schichten 40b und 40c. Das Feststellen der genauen Menge an Fasern im Z-Faser-Bündel aus einer bestimmten Schicht ist erwünscht, jedoch für die Praxis der Erfindung nicht erforderlich, solange die aus einer bestimmten Schicht permanent transportierte Faser in irgendeiner Weise quantifiziert ist.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird der permanente Fasertransport wie folgt quantifiziert. Wie in 3 dargestellt greift jeder Haken eine Menge an Fasern aus einer bestimmten Schicht der Gruppe von Schichten, während jeder Haken diese Schicht passiert. Die Menge ist üblicherweise für jeden Haken einer Filzbildungsnadel unterschiedlich. Jede Filzbildungsnadel 14 greift und transportiert eine Menge Fasern aus einer bestimmten Schicht in der Gruppe von Schichten, welches die Summe der aus dieser Schicht durch jeden Haken, welche diese Schicht passiert, mitgenommenen Fasern darstellt. In einem bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispiel weist beispielsweise die obere Schicht in jeden Nadeldurchgang überlappende unidirektionale Unterschichten aus OPF Faser auf, die wie zuvor beschrieben zu einer kohärenten Schicht vernadelt sind, und die Filzbildungsnadeln sind Filzbildungsnadeln nach der Katalognummer 15x18x36x3,5 C333 G 1002, erhältlich von Groz-Beckert, Deutschland. In diesem Beispiel greift der erste Haken 68 70% der aus einer bestimmten Schicht transportierten Fasern, der zweite Haken 70 greift 25% der aus einer Schicht transportierten Fasern, und der dritte Haken 72 greift lediglich 5% der aus einer bestimmten Schicht in einem Nadeldurchgang transportierten Menge. Nach gegenwärtigem Verständnis haben vom Nadelhersteller durchgeführte Versuche gezeigt, daß andere, weiter nach oben beabstandete Haken in diesem Ablauf Fasern nicht so effektiv greifen und transportieren. Ferner scheinen die meisten der von einer Filzbildungsnadel in diesem Verfahren transportierten Fasern aus der oberen Schicht zu stammen, da jeder Haken beinahe sofort mit Fasern beladen wird, wenn er in die obere Schicht getrieben wird. Die Haken neigen dazu sich zu entladen und neue Fasern aus anderen Schichten aufzunehmen, während sie die faserige Struktur durchqueren, wie zuvor in Zusammenhang mit 3 beschrieben. Dies ist jedoch nicht bei allen Vernadelungsverfahren oder allen Arten von Faserschichten der Fall. Die Fasertransporteigenschaften hängen von den Eigenschaften der Faserschichten und dem jeweiligen Vernadelungsverfahren und der Vorrichtung ab und sollten für jedes System empirisch ermittelt werden.
Die Menge der permanent aus einer bestimmten Schicht, beispielsweise der oberen Schicht 40a, transportierten Fasern wird annähernd berechnet, indem die Menge an Fasern, die von jedem Haken, der wenigstens die Mindestentfernung durch die Schicht durchlaufen hat, gegriffen wird. Beispielsweise durchläuft der Haken 68 die Mindeststrecke 52 von der oberen Schicht 40a, die größer als die Mindestentfernung 59 von dieser Schicht ist. Daher werden Fasern, die der Haken 68 aus der Schicht 40a transportiert hat, permanent transportiert. Der Haken 70 bewegt sich über eine Strecken von der oberen Schicht 40a, die durch die folgende Gleichung berechnet wird: D12 = D11 – d1 (Gl. 1)wobei D1₂ die Entfernung ist, welche der zweite Haken 70 von der Schicht 40a zurücklegt, D1₁ die Strecke ist, die der erste Haken 68 von der oberen Schicht 40a zurücklegt (D1₁ = Transporttiefe 52) und d₁ die Entfernung 71 zwischen dem ersten und dem zweiten Haken ist. D1₂ ist größer als der Mindestabstand 50 von der oberen Schicht 40a, wie in 3 gezeigt, was bedeutet, daß jede von dem zweiten Haken 70 aus der Schicht 40a transportierte Faser permanent transportiert ist. Der Haken 72 bewegt sich über eine Strecke von der oberen Schicht 40a, die durch die folgende Gleichung berechnet wird: D13 = D11 – d1 – d2 (Gl. 2) wobei D1₃ die Entfernung ist, welche der dritte Haken 72 von der Schicht 40a zurücklegt, D1₁ die Strecke ist, die der erste Haken 68 von der oberen Schicht 40a zurücklegt (D1₁ = Transporttiefe 52), d₁ die Entfernung 71 zwischen dem ersten und dem zweiten Haken ist und d₂ die Entfernung 73 zwischen dem zweiten 70 und dem dritten Haken 72 ist. D1₃ ist größer als der Mindestabstand 50 von der oberen Schicht 40a, wie in 3 gezeigt, was bedeutet, daß jede von dem dritten Haken 72 aus der Schicht 40a transportierte Faser permanent transportiert ist. Daher werden 100% der von der Nadel 14 aus der Schicht 40a gegriffenen und transportierten Fasern permanent transportiert, da D1₁, D1₂ und D1₃ sämtlich größer als die Mindestentfernung 50 sind. Dieses Beispiel basiert auf den zuvor erwähnten Teilmengenschätzungen von 70% des ersten Hakens, 25% für den zweiten Haken und 5% für den dritten Haken.
Ähnliche Berechnungen können für die Schicht 40b nach den folgenden Gleichungen durchgeführt werden, wobei D2₁ die Transporttiefe 54 ist; D22 = D21 – d1 (Gl. 3) D23 = D21 – d1 – d2 (Gl. 2)wobei D2₁ die Entfernung ist, welche der erste Haken 68 von der Schicht 40b zurücklegt (D2₁ = Transporttiefe 54), wobei D2₂ die Entfernung ist, welche der zweite Haken 70 von der Schicht 40b zurücklegt, d₁ die Entfernung 71 zwischen dem ersten und dem zweiten Haken 70 ist und d₂ die Entfernung 73 zwischen dem zweiten 70 und dem dritten Haken 72 ist. Die Berechnungen für dieses Beispiel zeigen, daß sämtliche Haken mehr als die Mindeststrecke von der Schicht 40b zurückgelegt haben, was bedeutet, daß 100% der von der Nadel aus der Schicht 40b gegriffenen und transportierten Fasern permanent transportiert sind. Die Gleichungen 1–4 sind durch die folgende Gleichung definiert:
wobei N eine bestimmte von dem ersten Haken 68 durchdrungene Schicht (N = 1 für die obere Schicht 40a, N = 2 für die Schicht 40b, N = 3 für die Schicht 40c, ...) angibt, B gibt einen bestimmten Haken der Filzbildungsnadeln, welcher die Fasern transportiert (B = 2 für den zweiten Haken 70, B = 3 für den dritten Haken 72, usw. die Nadel aufwärts), angibt, DN_B ist die Strecke, die ein bestimmter Haken sich relativ zur Schicht N bewegt und d_b-1 ist die Entfernung von einem Haken (b-1) zum nächsten Haken (b) entlang der Nadel. Die Berechnungen können für so viele Schichten berechnet werden, wie vom ersten Haken durchdrungen werden, und für jeden Haken an einer Filzbildungsnadel, die Fasern greift und transportiert. Es ist jedoch nicht erforderlich, die Berechnungen für mehr als die Gruppe der Schichten durchzuführen, da Fasern nicht von mehr als der Gruppe von Schichten permanent transportiert werden. Gleichung 5 gilt nur, wenn B ≥ 2, da es nicht erforderlich ist, die Transporttiefe für weitere Haken zu bestimmen, wenn nur ein Haken an der Nadel vorgesehen ist.
Das Ausführen der Berechnungen für die Schicht 40c (n = 3) unter Verwendung der Transporttiefe 56 für D3₁ zeigt, daß D3₁ und D3₂ größer als die Mindestentfernung 50, jedoch ist D3₃ geringer als die Mindestentfernung, jedoch werden Fasern, die von dem ersten Haken 70 und dem zweiten Haken 72 aus der Schicht 40c gegriffen und transportiert werden, permanent transportiert. Nur 95% der in der Schicht 40c gegriffenen Fasern wurden permanent transportiert (70% für den ersten Haken und 25% für den zweiten Haken). Die vom dritten Haken 72 in der Schicht 40c gegriffenen 5% wurden nicht permanent transportiert. Wie zuvor beschrieben hängen diese Schätzwerte des permanenten Fasertransports von der jeweiligen Filzbildungsnadel, den Faserschichteigenschaften und dem Vernadelungsverfahren ab. Die Prozentanteile von 70%, 25% und 5% sind beispielhaft und sollen die vorliegende Erfindung nicht auf diese Mengen beschränken.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß der permanente Fasertransport aus jeder Schicht somit quantifiziert wird, ohne eine genaue Messung des per manenten Fasertransports aus jeder Schicht. Die Menge des permanenten Fasertransports bezieht sich in diesem Zusammenhang auf den Prozentsatz (oder jeden äquivalenten Messwert, wie einen Bruchteil) an permanent transportierten Fasern, die von der Nadel aus einer bestimmten Schicht am unteren Ende des Nadelhubs gegriffen werden. Es ist erkennbar, daß die Menge des permanenten Fasertransports schließlich auf andere Arten quantifizierbar wird. Beispielsweise wäre die Verwendung der genauen Menge für jede Schicht wünschenswert, wenn ein effektives Verfahren für das Bestimmen der exakten Menge für jede Schicht verfügbar ist.
Wie in 3 dargestellt können die Transporttiefen 54, 56, 58, 60, 62 und 64 von jeder der Schichten 40a bis 40f aus der Transporttiefe 52 in bezug zur oberen Schicht 40a abgeleitet werden. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Transporttiefe in bezug auf die geschätzte Flächenposition der oberen Schicht 40a bestimmt, wie zuvor beschrieben. Vorzugsweise ist die geschätzte Flächenposition ein Mittelwert der Vor-Nadel-Flächenposition und der Nach-Nadel-Flächenposition. Eine Nach-Nadel-Dicke jeder unter den Filzbildungsnadeln angeordneten Schicht wird sodann bestimmt. Die Transporttiefe für eine bestimmte Schicht wird aus der Transporttiefe 52 durch Subtrahieren der Dicke jeder über dieser Schicht befindlichen Schicht von der Transporttiefe 52 berechnet. Beispielsweise wird die Transporttiefe 54 von der Schicht 40b durch Subtrahieren der Dicke der Schicht 40a von der Transporttiefe 52 berechnet. Die Transporttiefe 56 in bezug auf die Schicht 40c wird durch Subtrahieren der Nach-Nadel-Dicke der Schichten 40a und 40b von der Transporttiefe 52 bestimmt. Die Transporttiefe in bezug auf eine bestimmte Schicht kann somit aus der Transporttiefe 52 von der oberen Schicht 40a nach der folgenden Gleichung berechnet werden:
wobei N eine bestimmte Schicht unter der oberen Schicht 40a (N = 1) angibt, die von dem ersten Haken 68 (N = 2 für die zweite Schicht 40b, N = 3 für die dritte Schicht 40c, N = 4 für die vierte Schicht 40d, ...) durchdrungen wird, DN₁ ist die Transporttiefe von der Schicht N, D1₁ ist die Transporttiefe von der oberen Schicht 40a (Transporttiefe 52) und t_n-1 ist die Dicke jeder Schicht über der Schicht N. Die Berechnungen können für so viele Schichten wiederholt werden, wie vom ersten Haken 68 durchdrungen werden (7 Schichten in 3). Es ist jedoch nicht erforderlich, die Berechnungen für mehr als die Gruppe der Schichten (Schichten 40a-40c in 3) durchzuführen, da Fasern nicht von mehr als der Gruppe von Schichten permanent transportiert werden. Diese Gleichung basiert auf die Strecke, die der erste Haken 68 relativ zur oberen Schicht 40a zurücklegt. Die Entfernung, die weitere Haken in Bezug auf jede Schicht zurücklegen kann nach den Gleichungen 1–5 berechnet werden.
Wenn die Schichten im wesentlichen ähnlich sind, kann die Nach-Nadel-Dicke für jeden Nadeldurchgang als durchschnittliche Dicke der Gruppe von Schichten berechnet werden, welche die Faserstruktur zu diesem Nadeldurchgang umfasst. Die Dicke der Gruppe von Schichten kann sich mit weiterem Vernadeln und mit dem Hinzufügen weiterer Schichten ändern, wie in den 5A–5D dargestellt. Ein Beispiel für die Beziehung zwischen der Anzahl der Schichten und der mittleren Schichtdicke ist in 9 dargestellt, wobei mit zwei Schichten begonnen wird. 9 wird als Kompaktionskurve bezeichnet. Eine Schicht wurde der faserigen Vorformstruktur vor jedem Nadeldurchgang hinzugefügt. Die durchschnittliche Dicke verringerte sich mit der Zunahme der Schichten (und Nadeldurchgänge). Dies liegt daran, daß zuvor vernadelte Schichten der faserigen Struktur über mehrere Nadeldurchgänge weiter kompaktiert werden. Diese Schichten werden beim Hinzufügen anderer Schichten kompaktiert.
Die durchschnittliche Dicke der die faserige Struktur bildenden Schichten kann an jedem Punkt des Verfahrens aus einer Kurve, wie in 9 darge stellt, ermittelt werden, indem vorab eine im wesentlichen gleiche faserige Vorformstruktur in einem im wesentlichen gleichen Verfahren gebildet wird und die durchschnittliche Dicke während der Bildung der im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur bestimmt wird. Diese Informationen können zum Bilden nachfolgender faseriger Vorformstrukturen ohne aktives Bestimmen der durchschnittlichen Schichtdicke während des Verfahrens verwendet werden. Dieser Ansatz vereinfacht das Verfahren erheblich. Eine Kurve, wie die von 9, kann in einen Controller, beispielsweise den Controller 28 der 1, programmiert werden.
Die Dicke der einzelnen Schichten kann anstelle der durchschnittlichen Schichtdicke in der Praxis der Erfindung verwendet werden. Die Dicke der Schicht 128 in einer Reihe von Nadeldurchgängen (wie in den 7A– 7D gezeigt) wurde durch Messen eines abgetrennten Teils der faserigen Struktur nach jedem Nadeldurchgang bestimmt und ist in 10 als Kurve I beginnend mit der Vor-Nadel-Dicke (vor dem Nadeldurchgang 1) dargestellt. Die Kurve II zeigt die Dicke einer luft-abgelegten Bahn wie der Bahn 128 beim Vernadeln mit einer im wesentlichen Struktur zu einem späteren Zeitpunkt des Verfahrens. Es sei darauf hingewiesen, daß die luft-abgelegte Bahn je nach dem Zeitpunkt des Verfahrens, zu dem die Schicht aufgebracht wird, sehr unterschiedlich kompaktiert wird.
Wie in 10 dargestellt kann das Kompaktieren einer dicken Schicht, wie der Schicht 128, über mehrere Nadeldurchgänge fortgehen. Das Nichtberücksichtigen dieser Kompaktion kann zu einer erheblichen Abweichung von einer gewünschten Z-Faserverteilung über die Dicke der faserigen Vorformstruktur führen. Das Charakterisieren einzelner Schichten ist erforderlich, wenn eine der Schichten wesentlich von anderen Schichten in der faserigen Struktur abweicht. Eine Kurve wie in 10 kann während der Bildung einer faserigen Vorformstruktur bestimmt und während der Bildung nachfolgend gebildeter faseriger Vorformstrukturen, die im wesentlichen gleich sind, verwendet werden. Die Kurve sollte sich von der Bildung einer faseri gen Vorformstruktur zur Bildung der nächsten erheblich verändern, so lange die Prozesse im wesentlichen ähnlich sind.
Mehr als ein Nadeldurchgang kann Fasern permanent aus einer bestimmten Schicht in der Gruppe transportieren. Es ist daher ein Verfahren erwünscht, mit dem eine kumulative Menge von permanent transportierten Fasern aus einer bestimmten Schicht bestimmt werden kann. Nach einem Aspekt der Erfindung greift jeder Haken eine Menge an Fasern aus einer bestimmten Schicht in der Gruppe von Schichten beim Durchgang während eines jeweiligen Nadeldurchgangs: Die Menge der aus einer bestimmten Schicht im Nadeldurchgang permanent transportierten Fasern wird annähernd berechnet, indem jede aus dieser Schicht von jedem Haken, der wenigstens die Mindeststrecke von dieser Schicht zurücklegt, permanent transportierte Faser summiert wird. Eine kumulative Menge der permanent aus einer bestimmten Schicht transportierten Fasern wird durch Summieren der Menge aus jedem Nadelschritt berechnet, der Faser permanent aus der Schicht transportiert. Die kumulative Menge von aus einer bestimmten Schicht permanent transportierten Fasern wird unter Verwendung einer Tabelle nach den 11 und 11A bis 11C berechnet.
In den 11 und 11A bis 11C ist der Nadeldurchgang entlang einer vertikalen Achse auf der linken Seite der Tabelle numeriert. Die die faserige Struktur bildenden Schichten für jeden Nadeldurchgang sind entlang einer horizontalen Achse oben an der Tabelle numeriert. Insgesamt 32 Schichten wurden vernadelt, beginnend bei den Schichten 1 und 2 im Nadeldurchgang 1. Die Schichten 1 und 32 waren 800g/m² luft-abgelegte Bahnen und die Schichten 2 bis 32 bestanden jeweils aus drei überlappenden unidirektionalen Unterschichten aus OPF Fasern, die miteinander zu einer kohärenten Schicht vernadelt waren, wie zuvor beschrieben. Vor jedem Nadeldurchgang wurde vom Nadeldurchgang 2 bis zum Nadeldurchgang 31 eine Schicht hinzugefügt, gefolgt von drei Auslaufnadeldurchgängen WO1, WO2 und WO3, in denen die faserige Struktur abgesenkt und ohne zusätzliche Schichten vernadelt wurde. Die Bettplattenposition in bezug auf die Ausgangsposition der Bettplatte im Nadelschritt 1 ist mit "δ" in der ersten Spalte auf der rechten Seite der Tabelle bezeichnet. Die Veränderung der Bettplattenposition für jeden Nadeldurchgang gegenüber dem vorherigen Nadeldurchgang ist in der mit "δⁱ – δ^i-1" bezeichneten Spalte angegeben. Wie in 2 dargestellt wurden die mehreren Filzbildungsnadeln 14 reziprozierend durch einen festen Bewegungsbereich 160 getrieben, und die faserige Struktur wurde auf der Bettplatte 12 angeordnet und in Richtung des Pfeils 34 bewegt. Die vertikale Position der Bettplatte 12 wurde derart gesteuert, daß das Bewegen der Bettplatte 12 in Richtung der mehreren Filzbildungsnadeln die Fasertransporttiefe erhöhte und das Bewegen der Bettplatte von den mehreren Filzbildungsnadeln die Fasertransporttiefe verringerte.
Die Gesamtdicke der faserigen Struktur nach jedem Nadeldurchgang ist in der mit "T" bezeichneten Spalte dargestellt. Die Dicke der Schicht 1 (luftabgelegte Bahn) wurde in jedem Nadeldurchgang bestimmt und ist in der mit "t_air" bezeichneten Spalte dargestellt, wobei sie für jeden Nadeldurchgang durch Messen abgetrennter Bereiche der faserigen Vorformstruktur in jedem Nadeldurchgang bestimmt wurde. Sie könnte auch aus einer zuvor erstellten Beziehung, wie zuvor in Zusammenhang mit 10 beschrieben, bestimmt werden. Eine durchschnittliche Schichtdicke t_av _e nach dem Vernadeln wurde für jeden Nadeldurchgang bestimmt, indem T durch die Anzahl der die faserige Struktur nach Abziehen der Dicke 1 (die luft-abgelegte Bahn) dividiert wurde. Die mittlere Schichtdicke t_ave ist in der mit "t_ave" bezeichneten Spalte angegeben. Die Transporttiefe D1₁ des ersten Hakens in bezug auf die obere Schicht für jeden Nadeldurchgang ist in der mit "Tatsächliche D1₁" bezeichneten Spalte angegeben und wurde nach der folgenden Gleichung berechnet: D11 = P0 – c + T + F – δ (Gl. 7) wobei D1₁ die Transporttiefe des ersten Hakens in bezug zur oberen Schicht angibt, δ die Bettplattenposition in bezug zur anfänglichen Bettplattenposition angibt (ein positiver Wert δ gibt eine Bewegung von den Nadeln weg an), P₀ die anfängliche Nadeleindringtiefe bei δ = 0 angibt, T die gesamtdicke der faserigen Struktur nach jedem Nadeldurchgang ist, c der Abstand zwischen dem ersten Haken und der Spitze der Filzbildungsnadel angibt, und F der Kompaktierungsfaktor ist. In 11 sind alle linearen Abmessungen in Millimetern angegeben. In 12 ist P₀ als der Abstand zwischen der Nadelspitze und der Oberseite der Bettplatte bei δ = 0 im ersten Nadeldurchgang definiert. Der Abstand c zwischen der Spitze der Nadel und dem ersten Haken ist ebenfalls dargestellt, wie auch die Nach-Nadel-Gesamtdicke T der faserigen Struktur.
Der Kompaktierungsfaktor F wurde aus 8 für jeden Nadeldurchgang bestimmt. Die Nach-Nadel-Flächenposition für einen bestimmten Nadeldurchgang wird anhand der Bettplattenposition δ und der Nach-Nadel-Dicke T bestimmt, und die geschätzte Flächenposition während des Nadelns ist durch Addieren des Kompaktierungsfaktors F zu dieser Position bestimmt.
Bei diesem Vernadelungsverfahren betrug die Mindestentfernung zum Erreichen des permanenten Fasertransports ungefähr 7 mm, bestimmt nach dem anhand von 4 beschriebenen Verfahren. Daher mußten alle drei Haken 7 mm von der oberen Grenze einer bestimmten Schicht zurücklegen, um in dieser Schicht gegriffene und transportierte Fasern durch alle drei Haken permanent zu transportieren. Bei der hier verwendeten Filzbildungsnadel ist der erste Haken 1,06 mm vom zweiten Haken beabstandet und der dritte Haken ist 1,06 mm vom zweiten haken beabstandet. Daher musste der erste Haken wenigstens 9,12 mm (7 mm + 1,06 mm + 1,06 mm) jenseits der oberen Grenze der jeweiligen Schicht zurücklegen, um einen permanenten Transport von 100% der von allen drei Haken der Filzbildungsnadel gegriffenen Fasern aus einer bestimmten Schicht zu erreichen. In den 11 und 11A bis 11C wurde angenommen, daß der erste Haken 70% der Fasern, der zweite Haken 25% der Fasern und der dritte Haken 5% der Fasern transportiert, wie zuvor beschrieben. An diesem Punkt können die Gleichungen 1–6 zum Berechnen der Menge der permanent transportierten Fasern aus jeder Schicht in einem bestimmten Nadeldurchgang verwendet werden.
Die folgende Tabelle kann jedoch zum Verringern der Zahlenberechnungen durch Konzentration auf die Transporttiefe des ersten Hakens in Bezug auf jede Schicht dienen. Tabelle 1

% permanenter Transport aus einer bestimmten Schicht n Transporttiefe des ersten Hakens

100 Dn₁ ≥ 9,12

95 9,12 ≥ Dn₁ 8,06

70 8,06 > Dn₁ ≥ 7,00

25 7,00 > Dn₁ ≥ 6,50

0 Dn₁ < 6,50

wobei Dn₁ für jede Schicht nach der Gleichung 6 berechnet ist. Die Tabelle 1 eliminiert die Notwendigkeit die Transporttiefen für jeden einzelnen Nadelhaken. In der Gleichung 6 wurde die mittlere Schichtdicke t_ave in einem bestimmten Nadeldurchgang für t_n in diesem Nadeldurchgang verwendet, wenn die Schicht n eine überlappende Schicht war und t_ai _r wurde für t_n verwendet, wenn die Schicht n eine luft-abgelegte Schicht in jeden Nadeldurchgang war.
In der Tabelle 1 und im ersten Bereich der Transporttiefe (Dn ≥ 9,12) dringen alle drei Haken weit genug ein, so daß 100% der Fasern permanent transportiert werden (70% + 25% + 5%). Im zweiten Bereich (9,12 > Dn ≥ 8,06) werden nur 95% der Fasern permanent transportiert, da nur der erste und der zweite Haken weit genug eindringen, um Fasern permanent zu transportieren. Im dritten Bereich (8,06 > Dn₁ ≥ 7,00) werden nur 70% der Fasern permanent transportiert, da nur der erste Haken weit genug eindringt, um Fasern permanent zu transportieren. Diese Bereiche sind leicht aus den zuvor offenbarten Vernadelungsbedingungen und den Faserschichtenmaterialien der faserigen Vorformstruktur von 11 abgeleitet. Der vierte Bereich von 25% permanentem Transport reflektiert einen Zwischenbereich, in dem die obere Schicht teilweise, jedoch nicht völlig, an der benachbarten Schicht nach dem Verfahren der 4 festgeheftet ist. Wie in Zusammenhang mit 4 erwähnt beginnt die obere Schicht 40a bei einer Eindringtiefe von ungefähr 6,5 mm zu haften und haftet vollständig bei ungefähr 7,0 mm. Der Übergang von fehlender Haftung zu vollständigem Haften scheint bei diesem Verfahren bei einer Vergrößerung der Eindringtiefe um 0,5 mm zu beginnen. Das Einschließen des 25% Bereichs schafft eine geringere Steigerung in der Menge des permanenten Fasertransports, welche diesen Übergangsbereich reflektiert. Eine Tabelle wie die Tabelle 1 kann für jedes Vernadelungsverfahren und jede Art von Faserschicht erstellt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Bereiche der Tabelle 1 begrenzt, da diese Prinzipien auf nahezu jedes Faserschichtmaterial und jeden Vernadelungsvorgang anwendbar sind.
Das Bestimmen einer kumulativen Menge des permanenten Fasertransports nach den 11 und 11A bis 11C wird durch das folgende Beispiel demonstriert. In 11 beträgt P₀ 10,60 mm und c 6,36 mm. Der Nadeldurchgang 5 hat eine Transporttiefe D1₁ von der oberen Schicht aus von 13,51 mm nach Gleichung 7 (10,6 mm – 6,36 mm + 12,07 mm + 1,0 mm – 3,8 mm), die größer als 9,12 mm ist, was bedeutet, daß 100% der von der oberen Schicht, der Schicht 6 beim Nadeldurchgang 5, transportierten Fasern permanent transportiert werden. Somit erscheint eine "100" in der Schicht 6 für den Nadeldurchgang 5. Die Transporttiefe D2₁ von der Schicht 4 beträgt 11,81 mm (13,51 mm – 1,70 mm), was größer als 9,12 mm ist, was bedeutet, daß 100% der aus der Schicht 5 transportierten Fasern während des Nadeldurchgangs 5 permanent transportiert werden. Somit erscheint eine "100" in der Schicht 5 für den Nadeldurchgang 5. Die Transporttiefe D3₁ von der Schicht 4 beträgt 10,11 mm (13,51 mm – 1,70 mm – 1,70 mm), was größer als 9,12 mm ist, was bedeutet, daß 100% der aus der Schicht 4 transportierten Fasern während des Nadeldurchgangs 5 permanent transportiert werden. Somit erscheint eine "100" in der Schicht 4 für den Nadeldurchgang 5. Die Transporttiefe D4₁ von der Schicht 3 beträgt 8,41 mm (13,51 mm – 1,70 mm – 1,70 mm – 1,70 mm), was weniger als 9,12 mm jedoch mehr als 8,06 mm ist, was bedeutet, daß 95% der aus der Schicht 3 transportierten Fasern während des Nadeldurchgangs 5 permanent transportiert werden. Somit erscheint eine "95" in der Schicht 3 für den Nadeldurchgang 5. Die Transporttiefe D5₁ von der Schicht 4 beträgt 6,71 mm (13,51 mm – 1,70 mm – 1,70 mm – 1,70 mm – 1,70 mm), was weniger als 7,0 mm jedoch mehr als 6,5 mm ist, was bedeutet, daß 25% der aus der Schicht 2 transportierten Fasern während des Nadeldurchgangs 5 permanent transportiert werden. Somit erscheint eine "25" in der Schicht 2 für den Nadeldurchgang 5. im Nadeldurchgang 5 befanden sich somit 5 Faserschichten in der Schichtengruppe (Schichten 2–6). Diese Berechnungen werden für jeden Nadeldurchgang wiederholt und die Transportmengen für jeden Nadeldurchgang werden in die Tabelle wie beschrieben eingetragen. Danach wird eine kumulative Fasertransportmenge für jede Schicht berechnet, indem sämtliche Mengen des permanenten Transports, die in der Spalte für jede Schicht auftreten, summiert werden. Beispielsweise wird die Schicht 4 einem permanenten Transport unterzogen, der im Nadeldurchgang 3 mit 100 quantifiziert ist, im Nadeldurchgang 4 mit 100 quantifiziert ist, im Nadeldurchgang 5 mit 100 quantifiziert ist, im Nadeldurchgang 6 mit 95 quantifiziert ist, und im Nadeldurchgang 7 mit 25 quantifiziert ist, was einen Gesamtwert von 420 am Ende der Matrix ergibt. Die Summe der Mengen des permanenten Fasertransports für jede Schicht wird als kumulative menge des permanenten Fasertransports bezeichnet (CQT). Die CQT quantifiziert den gesamten permanenten Fasertransport aus jeder Schicht, wenn die Faser aus einer Schicht durch wenigstens zwei Nadeldurchgänge permanent transportiert wird.
Die Dicke der Schicht 1 wurde aus der Kurve I der 10 und die Dicke der Schicht 32 wurde aus der Kurve II der 10 abgeleitet, da beide Schichten luft-abgelegte Bahnen waren. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Schichten unterschiedlich kompaktieren, da sie zu verschiedenen Zeitpunkten des Vorgangs hinzugefügt werden. Die Erfindung ist somit flexibel und in der Lage, Abweichungen der Kompaktierungseigenschaften, die im Verfahren auftreten, zu kompensieren.
Die CQT für sämtliche Schichten erscheint in einer Zeile am unteren Ende der 11 und 11A–11C mit der Bezeichnung "Tatsächliche CQT'. Es sei darauf hingewiesen, daß die CQT generell von einem Höchstwert von 465 bei der Schicht 3 auf einen Mindestwert von 200 bei der Schicht 32 abnimmt. Beim Herstellen einer Bremsscheibe werden mehrere Schichten während und nach dem Verdichtungsverfahren entfernt, was zu zwei beabstandeten entgegengesetzten Verschleißflächen führt. Die CQT an beiden Verschleißflächen (WS) ist in der 11 dargestellt. Die CQT an einer Fläche ist ungefähr doppelt so groß wie die CQT an der anderen Verschleißfläche (420/220). Diese Ungleichförmigkeit wurde durch Interlaminar-Abziehversuche mit der faserigen Vorformstruktur der 11 verifiziert. Die zum Auseinanderziehen von Schichten erforderliche Kraft nimmt mit der Abnahme der CQT ab, was sich aus der Tatsache ergibt, daß die CQT die Menge an permanent transportierten Z-Fasern angibt. Eine höhere CQT gibt eine größere Menge an Z-Fasern an und die Z-Fasern sind für das Haften der Fasern verantwortlich. Mehr Z-Fasern bedeuten eine höhere Interlaminar-Abziehkraft.
Das verfahren kann einen Schritt weiter geführt werden, wobei der Vernadelungsvorgang zum Erzeugen einer gewählten CQT für jede Schicht manipuliert wird. Das Wählen der CQT für jede Schicht der faserigen Vorformstrukturist eine Frage des Vorformdesigns nach den gewünschten Eigenschaften der fertigen faserigen Vorformstruktur und ist nicht Teil der Erfindung. Die Gleichung 8 kann zum Erreichen einer gewünschten Menge des permanenten Transports für jede Schicht verwendet werden. δ1 = P0 – c + Ti-1 + Wi – D11 i (Gl. 8)wobei δ¹δ für den gegenwärtigen Nadeldurchgang 1 angibt, T^i-1 die Gesamtdicke der faserigen Struktur des vorhergehenden Nadeldurchgangs i-1 ist, wⁱ ein Vorhersagefaktor und D1₁ ⁱ gibt die gewünschte Transporttiefe D1₁ für den aktuellen Nadeldurchgang an. Der Vorhersagefaktor w¹ ist die Summe der projektierten Dicke der oberen Schicht nach dem aktuellen Nadeldurchgang und dem projektierten Kompaktierungsfaktor für diesen Nadeldurchgang.
Unter Verwendung der Gleichung 8 sind zwei Ansätze möglich, um eine gewünschte CQT für jede Schicht einer faserigen Vorformstruktur zu erhalten. In einigen Fällen können die Transporttiefen D1₁ ⁱ für jeden Nadeldurchgang bekannt sein, die eine gewünschte CQT für jede Schicht erzeugen. Das Anpassen der Transporttiefen D1₁ ⁱ während der Bildung einer ähnlichen Vorformstruktur an die bekannten Transporttiefen D1₁ ⁱ kann eine ähnliche CQT für jede Schicht erzeugen. Das Erstellen bekannter Transporttiefen, die eine gewünschte CQT erzeugen, kann beispielsweise unter Verwendung der Gleichung 7 und der in Zusammenhang mit der Erfindung erörterten Prinzipien zum Charakterisieren einer in einem bestimmten Verfahren hergestellten faserigen Vorformstruktur und zum Bestimmen der Transporttiefe für jeden Nadeldurchgang und einer resultierenden CQT für jede Schicht erreicht werden. Ein Verfahren zum Charakterisieren von D1₁ für jeden Nadeldurchgang und einer CQT für jede Schicht in einer Vorformstruktur wurde zuvor in Zusammenhang mit 11 und unter Verwendung der Gleichung 7 ausführlich beschrieben. Ein Beispiel für derartige Informationen, die aus einer zuvor gebildeten faserigen Vorformstruktur erhalten werden können, ist in der Spalte "Gewünschte D1₁" und der Zeile "Gewünschte CQT" der 11 und 11A bis 11C zu finden.
Eine Vorformstruktur mit "Tatsächliche D1₁" transporttiefen und "Tatsächliche CQT" Mengen, die im wesentlichen den "Gewünschte D1₁" Transporttiefen und den "Gewünschte CQT" Mengen entspricht, kann wie folgt gebildet werden. Die Gleichung 8 dient der Berechnung von δⁱfür jeden Nadeldurchgang. Zuerst muß der Vorhersagefaktor wⁱ bestimmt werden. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird wⁱ für einen bestimmten Nadeldurchgang (1) aus Daten abgeleitet, die aus dem vorhergehenden Nadeldurchgang (i-1) erhalten wurden. Vorzugsweise wird wⁱ durch Summieren von t_av _e ^i- ¹ und F^i-1 abgeleitet, wenn die gegenwärtige Schicht (i) im wesentlichen gleich der vorhergehenden Schicht (i-1) ist. Alternativ kann die Schichtdicke und F für einen bestimmten Nadeldurchgang abgeleitet werden, indem Kurven wie in 8 und 10 verwendet werden, insbesondere wenn die Schichten nicht im wesentlichen ähnlich sind. In 11 und unter Verwendung des Nadeldurchgangs 5 als Beispiel wurden Daten aus dem Nadeldurchgang 4 zum Bestimmen von W⁵ von 2,91 mm für den Nadeldurchgang 5 bestimmt, indem F⁴ (1,0 mm) Und T_ave ⁴ (1,91 mm) summiert wurden. Somit ist δ⁵ 3,8 mm (10,6 mm – 6,36 mm + 11,18 mm + 2,93 mm – 14,93 mm) für den Nadeldurchgang 5, nach Gleichung 8, und unter Verwendung der gewünschten Vernadelungstiefe von 14,53 mm im Nadeldurchgang 5 für D1₁ ⁵.
Die Gleichung 8 kann somit zum Berechnen von δⁱ für jeden Nadeldurchgang verwendet werden. Der Träger wird auf δⁱ eingestellt und die faserige Struktur wird diesem Nadeldurchgang unterzogen. Nach der Ausführung eines bestimmten Nadeldurchgangs wird die Faserschichtdicke der faserigen Struktur in diesem Nadeldurchgang wie zuvor beschrieben festgestellt und die Gleichung 7 zum Erstellen der tatsächlichen Transporttiefe für diesen Nadeldurchgang verwendet, was der Prüfung des ordnungsgemäßen Verlaufs des Verfahrens dient. Die für jeden Nadeldurchgang berechnete tatsächliche Transporttiefe erscheint in der mit "Tatsächliche D1₁" bezeichneten Spalte, wie zuvor ausführlich beschrieben.
Die tatsächliche CQt gegenüber der gewünschten CQT für dieses Verfahren ist am unteren Ende der 11 und 11A bis 11C dargestellt. Die tatsächliche CQT liegt vorzugsweise innerhalb von ±10% der gewünschten CQtT in jedem Nadeldurchgang. Das Herstellen einer Vorform nach diesem Verfahren ermöglicht eine aktive Selbstkorrektur bei jeglicher Abweichung, die im Verfahren auftritt, und führt zu einer tatsächlichen Z-Faserverteilung, die der gewünschten Z-Faserverteilung nahe angenähert ist. Variationen können aus dem Kompaktieren und leichten Veränderungen der Faserschichtdicke während des Vorgangs und anderen Quellen resultieren.
Nach einem anderen Ansatz, der ebenfalls einen Aspekt der Erfindung wiedergibt, kann die Menge des permanenten Fasertransports in jeder Schicht bei jedem Nadeldurchgang manipuliert werden, um eine gewünschte CQT für jede Schicht zu erreichen. Die 13 und 13A und 13B zeigen eine Tabelle, die zum Herstellen einer faserigen Vorformstruktur mit einem im wesentlichen konstanten CQT-Wert über eine Anzahl von benachbarten Schichten verwendet wurde. In diesem Beispiel wurde für jede Schicht ein CQT Wert von 270 gewünscht, der in einer Zeile am unteren Ende der Tabelle auftritt. Die tatsächliche CQT für jede Schicht ist ebenso dargestellt und folgt der gewünschten CQT nahe. Dreizehn Schichten wurden vernadelt, wobei jede Schicht aus drei überlappenden unidirektionalen Unterschichten aus OPF Faser, die zu einer kohärenten Schicht vernadelt waren, bestand. Die Menge des permanenten Transports aus jeder Schicht un jedem Nadeldurchgang wurde wie folgt manipuliert.
Der Vorgang beginnt mit dem Vernadeln der Schichten 1 und 2 durch den Nadeldurchgang 1. Die Gleichung 7 wurde sodann mit geeigneten Messwerten der faserigen Vorformstruktur zum Berechnen der tatsächlichen D1₁ von 11,12 mm für den Nadeldurchgang 1 verwendet, wie in der rechts außen gelegenen Spalte der 13, 13A und 13B angegeben. Die anfängliche Bettplatteneinstellung für den Nadeldurchgang 1 ist eine Frage der Beurteilung und sollte ausreichen, um die Schichten aneinander zu heften. Die an fängliche Bettplattenposition δ¹ führt vorzugsweise zu einer anfänglichen Transporttiefe D1₁ ¹, die ausreichend tief ist, um 100% Transport aus den Schichten 1 und 2 während des Nadeldurchgangs 1 zu erreichen, ohne die Schichten übermäßig zu vernadeln. Wie zuvor ist die mit "T" bezeichnete Spalte die Nach-Nadel-Dicke der Vorform, und die mit "t_av _e" bezeichnete Spalte ist die durchschnittliche Schichtdicke, die durch Teilen von T durch die Anzahl der Schichten der faserigen Vorformstruktur in jedem Nadeldurchgang berechnet wird. Der Kompaktierungsfaktor F wird aus der 6 abgeleitet und erscheint ebenfalls in 13.
Beginnend mit dem Nadeldurchgang 2 wird eine gewünschte Transporttiefe D1₁ ² bestimmt, die ausreicht, eine gewünschte permanente Fasertransportmenge aus jeder Schicht einer Gruppe von Schichten zu erreichen. Die Gruppe von Schichten und die Menge für jede Schicht werden in jedem Nadelschritt wie zum Erzeugen der gewünschten CQT für jede Schicht erforderlich bestimmt. Im Nadeldurchgang 2 beispielsweise sollte der permanente Transport aus der Schicht 3 100% sein, da die Schicht 3 bisher nicht vernadelt wurde und eine CQT von 270 gewünscht wird, der permanente Transport aus der Schicht 2 sollte 100% sein, da die Schicht 2 eine CQT von nur 100 nach dem Nadeldurchgang 1 hat und eine CQT von 270 gewünscht wird, und der permanente Transport aus der Schicht 1 sollte 100% sein, da die Schicht 1 eine CQT von nur 70 nach dem Nadeldurchgang 1 hat und eine CQT von 270 gewünscht wird. Die gewünschten Mengen können in einer Matrix wie in 14A gezeigt angeordnet werden. Die Schichtzahlen der 13 treten in der ersten Spalte der 14A auf. Die zweite Spalte N gibt eine bestimmte Schicht in der Schichtgruppe an, wie in den Gleichungen 1 bis 6 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Schichtzahlen der ersten Spalte nicht N entsprechen, da N stets 1 für die obere Schicht in der Schichtgruppe ist. Die gewünschte Menge des Transports aus jeder Schicht tritt in der nächsten Spalte auf. Schließlich tritt in der letzten Spalte eine geschätzte Schichtdicke für sämtliche Schichten außer der untersten Schicht in der Schichtgruppe auf. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die durchschnittliche Schichtdocke des vorherigen Vernadelungsschritts als die geschätzte Schichtdicke verwendet. 3,24 mm (t_ave des Nadeldurchgangs 1) taucht in der Tiefenspalte für die Schichten 2 (N = 2) und 3 (N = 1) auf. Eine gewünschte Transporttiefe in bezug auf die unterste Schicht in der Schichtgruppe wird sodann bestimmt und in der Tiefenspalte der 14A für die unterste Schicht angegeben. In diesem Beispiel beträgt die Transporttiefe D3₁ ², da N = 3 für die unterste Schicht. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Tabelle wie die Tabelle 1 zum Bestimmen der gewünschten Transporttiefe verwendet. Nach dieser Tabelle muß D3₁ ² wenigstens 9,12 mm sein, um 100% permanenten Fasertransport aus der Schicht 1 (N = 3) zu erreichen. Die Transporttiefe D1₁ ² in bezug auf die obere Schicht (N = 1) wird durch Summieren der Zahlen bestimmt, die in der Tiefenspalte der 14A auftreten, was zu einem gewünschten Wert von 15,60 mm führt. Die gewünschte Transporttiefe D1₁ für jeden Nadeldurchgang tritt in der Spalte "Gewünschte D1₁" der 13, 13A und 13B auf. Die gewünschte Transporttiefe D3₁ für jeden Nadeldurchgang tritt in der Spalte "Gewünschte D3₁" der 13, 13A und 13B auf.
Die geschätzte Transporttiefe D1₁ ² wurde in der Gleichung 8 zum Bestimmen einer Bettplatteneinstellung für den Nadeldurchgang 2 verwendet. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird wⁱ der Gleichung 8 durch Summieren von t_ave ^i-1 und F^i-1 bestimmt, wie zuvor in Zusammenhang mit 11 und Gleichung 8 erörtert. Im Nadeldurchgang 2 ist w² 3,24 mm und δ² beträgt –1,2 mm (11,0 mm – 6,36 mm + 6,48 mm + 3,24 mm – 15,60 mm). Die Trägerposition δ² ist negativ, was eine Bewegung in Richtung der Filzbildungsnadeln in bezug auf die anfängliche Trägerposition im Nadeldurchgang 1 angibt. Der Träger wurde auf δ² eingestellt und die faserige Struktur wurde dem Nadeldurchgang 2 unterzogen.
Nach dem Nadeldurchgang wurden geeignete Messungen vorgenommen und die Gleichung 7 wurde zum Berechnen der tatsächlichen Transporttiefe D1₁ ² für den zweiten Nadeldurchgang verwendet, welche 14,61 mm betrug. Die tatsächliche Transporttiefe D1₁ ⁱ für jeden Nadeldurchgang erscheint in der Spalte "Tatsächliche D1₁" der 13. Die tatsächlichen Mengen des permanenten Transports wurden sodann berechnet und in die 13, 13A und 13B nach zuvor beschriebenen Verfahren eingesetzt. Im Nadeldurchgang 2 war die gewünschte Transporttiefe ausreichend, um die gewünschten Mengen von 100% permanenten Fasertransport für sämtliche drei Schichten zu erreichen. Die tatsächliche Transporttiefe D3₁ ⁱ für jeden Nadeldurchgang, berechnet nach der Gleichung 6, tritt in der Spalte "Tatsächliche D3₁" der 13, 13A und 13B auf. Der Wert von D3₁ ⁱ von 9,37 mm bestätigt, daß 100% der aus der Schicht 1 (N = 3) transportierten Fasern im Nadeldurchgang 2 permanent transportiert wurden, da dieser Wert größer als 9,12 mm ist (siehe Tabelle 1).
Dieser Vorgang wird in jedem Nadeldurchgang wiederholt, wofür Beispiele in den 14B und 14C angegeben sind, worin die gewünschten Transporttiefen D1₁ für die Nadeldurchgänge 3 und 4 bestimmt sind. Die Schichtgruppe weist drei Schichten auf und die gewünschte Transportmenge für die unterste Schicht (N = 3) in der Schichtgruppe ist 70% für den Rest der Nadeldurchgänge, da eine gleichmäßige CQT von 270 gewünscht ist. Die gewünschte Menge von 70% für die unterste Schicht (N = 3) wurde erreicht, indem sichergestellt wurde, daß D3₁ für jeden Nadeldurchgang zwischen 7,00 und 8,06 mm liegt, wie durch die Tabelle 1 gefordert. Dies wurde durch die Wahl einer gewünschten D3₁ von ungefähr 7,5 mm in jedem Nadeldurchgang erreicht. Diese Zahl kann jedoch in Abhängigkeit von dem in 13 dargestellten Transporttiefentrend in Richtung der unteren Grenze oder der oberen Grenze verschoben werden. Wenn beispielsweise ersichtlich ist, daß die tatsächliche D3₁ sich 8,06 mm in einem bestimmten Nadeldurchgang annähert, kann die gewünschte D3₁ für den nächsten Nadeldurchgang in Richtung 7,00 mm (gewünschte D3₁ < 7,5 mm) verschoben werden. Wenn sich D3₁ 7,00 mm in einem bestimmten Nadeldurchgang nähert, kann der gewünschte Wert des nächsten Durchgangs auf 8,06 mm (gewünschte D3₁ > 7,8 mm) verschoben werden. Auf diese Weise kann die Transporttiefe derart eingestellt werden, daß sie in den erforderlichen Grenzen bleibt, um die gewünschte Menge an permanentem Fasertransport in jedem Nadeldurchgang zu erreichen. Die Mengen des permanenten Fasertransports in jedem Nadeldurchgang können so zum Erreichen einer gewünschten CQT für jede Schicht manipuliert werden.
In den 13, 13A und 13B ist die tatsächliche CQT von 170 für die Schicht 1 erheblich geringer als die gewünschte CQT von 270. Das Erreichen der gewünschten CQT für die erste Schicht ist schwierig, ist jedoch von geringem Interesse, da die erste Schicht üblicherweise während der nachfolgenden Bearbeitung der faserigen Vorformstruktur entfernt wird. Die tatsächliche CQT folgt der gewünschten CQT für die Schichten 2 bis 11 eng. Die tatsächliche CQT der Schichten 12 und 13 ist gering, kann jedoch während des Hinzufügens nachfolgender Schichten oder durch Auslaufvernadelung der faserigen Struktur ohne Hinzufügen von Schichten auf die gewünschte CQT erhöht werden.
Variationen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise war die gewünschte CQT der 13, 13A und 13B für jede Schicht gleich. Die gewünschte CQT Verteilung kann sich von einer Schicht zur nächsten ändern. Eine faserige Vorformstruktur mit einer derartigen Verteilung kann unter Verwendung der Prinzipien der Offenbarung erreicht werden. Ferner basierten die projektierten Schichtdicken zum Bestimmen von wⁱ und der Fasertransporttiefe D1₁ ⁱ für jeden Nadeldurchgang auf Messungen des vorherigen Nadeldurchgangs. Die projektierten Schichtdicken können unter Verwendung anderer Verfahren wie durch Ableiten, für einen bestimmten Nadeldurchgang, aus Kurven wie in den 9 und 10 dargestellt, ermittelt werden. Ähnlich kann wⁱ für einen bestimmten Nadeldurchgang durch Messen des Werts während der Bildung einer im wesentlichen ähnlichen Vorformstruktur in einem im wesentlichen ähnlichen Verfahren oder nach einem anderen zuvor beschriebenen oder äquivalenten Verfahren berechnet werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Effekte des Vernadelns einer bestimmten Schicht sich auf mehrere darunterliegende Schichten auswirken. In den 11 und 13, 13A und 13B sind die Schichten, durch welche sich das Z-Faserbündel tatsächlich erstreckt, durch gestrichelte Linien dargestellt. Brucheintragungen geben an, daß Fasern durch einen Teil einer Schicht während dieses Nadelschritts transportiert wurden. Das Vernadeln einer nachfolgenden Schicht erhöht die Zahl der Z-Faserbündel in einer unteren Schicht. Das Erhöhen der CQT für eine nachfolgende Schicht vergrößert die Menge der Z-Fasern in einer unteren zuvor vernadelten Schicht.
Die 6, 8, 9, 10 und 11 basieren auf Messungen der tatsächlichen Dicke der Faserschichten und der faserigen Vorformstrukturen. Eine geringe Abweichung von einer Messung zur nächsten ist in diesen Figuren erkennbar und ist unvermeidbar. Das genaue und wiederholte Messen der Faserschichtdicke und der Faserstrukturdicke ist für die Praxis der Erfindung wichtig. Das Messen nach ASTM D 1777-64 (bestätigt 1975) "Standard Method for Measuring Textile Materials" wird bevorzugt.
Die verschiedenen beschriebenen Aspekte der Erfindung können unabhängig voneinander angewandt werden. Beispielsweise kann das beschriebene Verfahren zum Quantifizieren und Manipulieren des Transports bei Faserschichten verwendet werden, die eine geringe oder keine Neigung zum weiteren Kompaktieren nach einem anfänglichen Nadeldurchgang zeigen, und bei Schichten, die aus Fasern bestehen, die eine geringe oder keine Neigung zeigen, sich zur Ursprungsschicht zurückzuziehen. Das beschriebene Verfahren zum Einwirken auf die Schichtkompaktieren nach einem anfänglichen Nadeldurchgang kann ohne Quantifizieren oder Manipulieren des Transports und bei Schichten, die aus Fasern bestehen, die eine geringe oder keine Neigung zeigen, sich zur Ursprungsschicht zurückzuziehen, verwendet werden. Das beschriebene Verfahren hinsichtlich des Faserrückzugs kann ohne Quantifizieren oder Manipulieren des Transports und bei Schichten verwendet werden, die eine geringe oder keine Neigung zum weiteren Kompaktieren nach einem anfänglichen Nadeldurchgang zeigen. Ferner sind verschiedene Arten von Filzbildungsnadeln bekannt. Jede Variation der Filzbildungsnadeln fällt in den Rahmen der Erfindung.
Es ist ersichtlich, daß zahlreiche Abwandlungen möglich sind, ohne vom Rahmen der Erfindung gemäß den nachfolgenden Ansprüchen abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Bildung einer faserigen Vorformstruktur mit einer vorbestimmten Z-Faserverteilung, mit den folgenden Schritten: – Anordnen einer faserigen Struktur (20) mit wenigstens zwei übereinanderliegenden faserigen Lagen (40a, 40b) auf einem Träger (12), wobei eine der Lagen eine obere Lage (40a) ist, die eine freiliegende Fläche bildet, wobei Fasern in der faserigen Struktur während eines Vernadelungsdurchgangs transportiert werden sollen, bei dem die faserige Struktur unter einer Vielzahl von Filzbildungsnadeln (14) hindurch geführt wird, während die mehreren Filzbildungsnadeln wiederholt durch die freiliegende Fläche in die faserige Struktur getrieben werden, gekennzeichnet durch – basierend auf der vorbestimmten Z-Faserverteilung, das Bestimmen der erforderlichen Fasermenge, die permanent aus einer Gruppe von Lagen (46) in der faserigen Struktur zu transportieren ist, wobei die Gruppe von Lagen wenigstens die obere Lage (40a) umfaßt; – basierend auf der vorbestimmten Z-Faserverteilung, das Bestimmen der erforderlichen Fasertransporttiefe, wobei die Fasertransporttiefe eine von den Filzbildungsnadeln (14) beim Treiben der Filzbildungsnadeln in die faserige Struktur in Bezug auf die obere Lage zurückgelegte Strecke ist, wobei die erforderliche Fasertransporttiefe eine zum permanenten Transportieren der erforderlichen Fasermenge von der Gruppe der Lagen erforderliche Strecke ist; und – das Einstellen einer Strecke zwischen dem Träger und den mehreren Filzbildungsnadeln, um die Strecke zwischen der oberen Lage und den mehreren Filzbildungsnadeln derart einzustellen, daß die Fasern auf die gewünschte Fasertransporttiefe (86) transportiert werden, wenn die faserige Struktur dem Vernadelungsdurchgang unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gewünschte Menge für eine Lage von der gewünschten Menge für wenigstens die eine andere Lage in der Gruppe von Lagen verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die faserige Struktur mehr als zwei übereinanderliegende faserige Lagen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Filzbildungsnadeln die faserige Struktur nicht vollständig durchdringen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – jede Filzbildungsnadel eine Spitze und einen ersten, der Spitze nächstgelegenen Haken und wenigstens einen von dem ersten Haken beabstandeten und von der Spitze entfernter gelegenen zweiten Haken aufweist; – jeder Haken an einer Menge Fasern einer bestimmten Lage in der Gruppe von Lagen angreift, während die Haken diese Lage durchdringen; und – die erforderliche Menge an permanent transportierten Fasern aus der bestimmten Lage durch Summieren der Menge an ergriffenen Fasern gebildet wird, die permanent von jedem Haken, der diese Lage durchdringt, transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Menge für einen Haken an einer bestimmten Nadel von der Menge für wenigstens einen anderen Haken der bestimmten Nadel verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die faserige Struktur mehreren Vernadelungsdurchgängen unterzogen wird, wodurch Fasern aus der bestimmten Lage durch mindestens zwei Vernadelungsdurchgänge permanent transportiert werden; – der Schritt des Bestimmens der erforderlichen Fasertransporttiefe den Schritt des Bestimmens der erforderlichen Fasertransporttiefe für jeden der mehreren Vernadelungsdurchgänge umfaßt; und – der Schritt des Transportierens von Fasern auf die erforderliche Fasertransporttiefe einen Schritt umfaßt, in dem die faserige Struktur den mehreren Vernadelungsdurchgängen unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Bestimmens der erforderlichen Fasertransporttiefe für jeden Vernadelungsdurchgang den Schritt des Einstellens der erforderlichen Fasertransporttiefe für jeden der mehreren Vernadelungsdurchgänge umfaßt, um eine erforderliche kumulative Menge an permanent transportierten Fasern für jede Lage in der Gruppe von Lagen zu erzeugen, wobei die erforderliche kumulative Menge die Summe jeder erforderlichen Menge an aus der bestimmten Lage in jedem Vernadelungsdurchgang permanent transportierten Fasern ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine zusätzliche faserige Lage vor jedem Vernadelungsdurchgang hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die kumulative Menge in einer Anzahl von benachbarten Lagen im wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine zusätzliche faserige Lage vor jedem Vernadelungsdurchgang zu der faserigen Struktur hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem – jede Filzbildungsnadel eine Spitze und einen ersten, der Spitze nächstgelegenen Haken und wenigstens einen von dem ersten Haken beabstandeten zweiten Haken aufweist; – die Haken an einer Menge Fasern einer bestimmten Lage in der Gruppe von Lagen angreifen, während die Haken diese Lage durchdringen; – die erforderliche Menge an permanent transportierten Fasern aus der bestimmten Lage für einen bestimmten Vernadelungsdurchgang durch Summieren der Menge an ergriffenen Fasern gebildet wird, die permanent von jedem Haken, der diese Lage in dem bestimmten Nadelvorgang durchdringt, transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem eine zusätzliche faserige Lage vor jedem Vernadelungsdurchgang hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die kumulative Menge über eine Anzahl von Nadelschritten im wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die faserige Struktur Fasern aus der aus PAN-Fasern und OPF-Fasern gebildeten Gruppe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Bestimmens einer Mindeststrecke für den permanenten Fasertransport aus den faserigen Lagen, wobei die Fasern dazu neigen, sich zu der Lage zurück zu ziehen, aus der die Fasern stammen, es sei denn, sie werden über die Mindeststrecke transportiert, wobei die erforderliche Fasertransporttiefe wenigstens die Mindeststrecke ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die mehreren Filzbildungsnadeln ein Faseraggregat der Gruppe von Lagen während eines Vernadelungsdurchgangs ergreifen und transportieren und weniger als 100% des Aggregats permanent transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Mindeststrecke ausreicht, die Fasern zu zerreißen, wodurch die Fasern permanent transportiert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die faserige Struktur mehr als zwei übereinanderliegende faserige Lagen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Filzbildungsnadeln die faserige Struktur nicht vollständig durchdringen.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner mit dem Schritt des Bestimmens einer geschätzten Position der freiliegenden Fläche der oberen Lage unter den Filzbildungsnadeln während des Nadelvorgangs, wobei die freiliegende Fläche sich während des Nadelvorgangs von den Filzbildungsnadeln wenigstens zum Teil aufgrund des Kompaktierens der oberen Lage entfernt, und die erforderliche Fasertransporttiefe in Bezug auf die geschätzte Position bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die freiliegende Fläche sich während des Nadelvorgangs von den Filzbildungsnadeln wenigstens zum Teil aufgrund des Kompaktierens in unter der oberen Lage befindlichen Lagen entfernt.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Bestimmens einer geschätzten Position während des Nadelvorgangs die folgenden Schritte umfaßt: – Bestimmen einer Position der freiliegenden Fläche vor dem Nadeln; – Bestimmen einer Position der freiliegenden Fläche nach dem Nadeln; und – Bestimmen der geschätzten Position während des Nadelns durch Mittelung der Position vor dem Nadeln und der Position nach dem Nadeln.
Verfahren nach Anspruch 23, ferner mit dem Schritt des Bestimmens der Position vor dem Nadeln und der Position nach dem Nadeln durch Bilden einer im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur in einem im wesentlichen gleichen Verfahren und Bestimmen der Position vor dem Nadeln und der Position nach dem Nadeln während der Bildung der im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die geschätzte Position für jeden Nadelschritt aus einem zuvor erstellten Verhältnis abgeleitet wird, das durch zuvor erfolgtes Bilden einer im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur in einem im wesentlichen gleichen Verfahren bestimmt wird, und die geschätzte Position während des Bildens der im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Mindeststrecke zuvor in einem Verfahren mit den folgenden Schritten bestimmt wird: – Anordnen einer ersten faserigen Lage über einer zweiten faserigen Lage, wobei die erste und die zweite faserige Lage im wesentlichen gleich der oberen Lage und einer der oberen Lage benachbarten Lage sind, wobei die erste Schicht eine freiliegende Fläche bildet; – Transportieren von Fasern von der ersten Lage in die zweite Lage durch wiederholtes Treiben mehrerer Filzbildungsnadeln in die freiliegende Fläche durch die erste Lage und in die zweite Lage auf eine Weise, die im wesentlichen gleich dem Vernadelungsdurchgang ist, wobei Filzbildungsnadeln verwendet werden, die im wesentlichen denen gleich sind, die im Vernadelungsdurchgang verwendet werden; und – Vergrößern des Abstands zwischen der ersten Lage und den Filzbildungsnadeln, bis die erste Lage beginnt, an der zweiten Lage zu haften, wobei an diesem Punkt der Abstand der Mindeststrecke entspricht.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem jede Filzbildungsnadel eine Spitze und einen ersten, der Spitze nächstgelegenen Haken und wenigstens einen von dem ersten Haken beabstandeten und von der Spitze entfernter gelegenen zweiten Haken aufweist, wobei jeder Haken an einer Menge Fasern einer bestimmten Lage in der Gruppe von Lagen angreift, während die Haken diese Lage durchdringen, und wobei eine Annäherung an die erforderliche Menge an permanent transportierten Fasern aus der bestimmten Lage durch Summieren der Menge an ergriffenen Fasern gebildet wird, die permanent von jedem Haken transportiert wird, der wenigstens die Mindeststrecke zu dieser Lage zurücklegt.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die ergriffene Menge für jeden Haken einer bestimmten Filzbildungsnadel verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die erforderliche Menge für eine Lage von der erforderlichen Menge für wenigstens eine andere Lage in der Gruppe von Lagen verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem: – jede Filzbildungsnadel eine Spitze und einen ersten, der Spitze nächstgelegenen Haken und wenigstens einen von dem ersten Haken beabstandeten und von der Spitze entfernten zweiten Haken aufweist, – die Haken an einer Menge Fasern einer bestimmten Lage angreifen, während die Haken diese Lage durchdringen, – die faserige Struktur mehreren Vernadelungsdurchgängen unterzogen wird, wodurch Fasern durch wenigstens zwei Vernadelungsdurchgänge permanent aus der bestimmten Lage transportiert werden; – der Schritt des Bestimmens der erforderlichen Fasertransporttiefe den Schritt des Bestimmens der erforderlichen Fasertransporttiefe für jeden der mehreren Vernadelungsdurchgänge umfaßt; und – der Schritt des Transportierens von Fasern auf die erforderliche Fasertransporttiefe einen Schritt umfaßt, in dem die faserige Struktur den mehreren Vernadelungsdurchgängen unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem eine zusätzliche faserige Lage vor jedem Vernadelungsdurchgang hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem der Schritt des Bestimmens der erforderlichen Fasertransporttiefe für jeden Vernadelungsdurchgang ferner den Schritt des Einstellens der erforderlichen Fasertransporttiefe für jeden der mehreren Vernadelungsdurchgänge umfaßt, um die erforderliche kumulative Menge an permanent transportierten Fasern für jede Lage in der Gruppe von Lagen zu erzeugen, wobei die gewünschte kumulative Menge die Summe jeder Menge ist, welche aus dieser Lage von jedem Haken ergriffen wird, der während jedes Vernadelungsdurchgangs von dieser Lage aus zumindest die Mindeststrecke durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 32, bei der die kumulative Menge über eine Anzahl von Lagen im wesentlichen konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Schritt des Bestimmens der erforderlichen Fasertransporttiefe die folgenden Schritt umfaßt: – Bestimmen einer Dicke jeder Lage in der Gruppe von Lagen nach dem Nadeln; – Bestimmen einer Fasertransporttiefe in bezug auf jede Lage der Gruppe von Lagen durch Subtrahieren der Dicke jeder über dieser Lage, für welche die erforderliche Fasertransporttiefe bestimmt werden soll, angeordneten Lage von der erforderlichen Fasertransporttiefe in bezug auf die geschätzte Position; und – Wählen der Fasertransporttiefe in bezug auf die geschätzte Position, derart, daß die erforderliche Fasertransporttiefe in bezug auf jede Lage größer als die Mindeststrecke ist.
Verfahren nach Anspruch 34, bei dem die Dicke nach dem Nadeln eine durchschnittliche Dicke der Lagen in der faserigen Struktur ist.
Verfahren nach Anspruch 35, ferner mit dem Schritt des Bestimmens der durchschnittlichen Dicke durch zuvor erfolgtes Bilden einer im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur in einem im wesentlichen gleichen Verfahren und Bestimmen der durchschnittlichen Dicke während des Bildens der im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Vielzahl der Filzbildungsnadeln reziprozierend über einen festen Bewegungsbereich getrieben werden, wobei das Bewegen des Trägers in Richtung der Vielzahl von Filzbildungsnadeln die Fasertransporttiefe erhöht und das Bewegen des Trägers von der Vielzahl von Filzbildungsnadeln weg die Fasertransporttiefe verringert, und ferner mit dem Schritt des Bewegens des Trägers in eine zum Erreichen der erforderlichen Fasertransporttiefe erforderlichen Position.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die faserige Struktur Fasern aus der aus PAN-Fasern und OPF-Fasern bestehenden Gruppe umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Bestimmens einer geschätzten Position der freiliegenden Fläche der oberen Lage unter den mehreren Filzbildungsnadeln während des Nadelvorgangs, wobei die freiliegende Fläche sich während des Nadelvorgangs von den Filzbildungsnadeln wenigstens zum Teil aufgrund des Kompaktierens der oberen Lage entfernt.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die freiliegende Fläche sich während des Nadelvorgangs von den Filzbildungsnadeln wenigstens zum Teil aufgrund des Kompaktierens in unter der oberen Lage befindlichen Lagen entfernt.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die faserige Struktur mehr als zwei übereinanderliegende faserige Lagen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die Filzbildungsnadeln nicht die gesamte faserige Struktur durchdringen.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem der Schritt des Bestimmens einer geschätzten Position während des Vernadelungsdurchgangs die folgenden Schritte umfaßt: – Bestimmen einer Position der freiliegenden Fläche vor dem Nadeln; – Bestimmen einer Position der freiliegenden Fläche nach dem Nadeln; und – Bestimmen der geschätzten Position während des Vernadelungsdurchgangs durch Mittelung der Position vor dem Nadeln und der Position nach dem Nadeln.
Verfahren nach Anspruch 43, ferner mit dem Schritt des Bestimmens der Position vor dem Nadeln und der Position nach dem Nadeln durch vorheriges Bilden einer im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur in einem im wesentlichen gleichen Verfahren und Bestimmen der Position vor dem Nadeln und der Position nach dem Nadeln während der Bildung der im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die geschätzte Position für jeden Nadelschritt aus einem zuvor erstellten Verhältnis abgeleitet wird, das durch zuvor erfolgtes Bilden einer im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur in einem im wesentlichen gleichen Verfahren bestimmt wird, und die geschätzte Position während des Bildens der im wesentlichen gleichen faserigen Vorformstruktur bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die Vielzahl der Filzbildungsnadeln reziprozierend über einen festen Bewegungsbereich getrieben werden, wobei das Bewegen des Trägers in Richtung der Vielzahl von Filzbildungsnadeln die Fasertransporttiefe erhöht und das Bewegen des Trägers von der Vielzahl von Filzbildungsnadeln weg die Fasertransporttiefe verringert, und ferner mit dem Schritt des Bewegens des Trägers in eine zum Erreichen der erforderlichen Fasertransporttiefe erforderlichen Position.
Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die faserige Struktur Fasern aus der aus PAN-Fasern und OPF-Fasern bestehenden Gruppe umfaßt.