Die Erfindung betrifft ungekrümmte Gewebe und beschäftigt
sich insbesondere mit ungekrümmten. Geweben mit verbesserten Drapierungseigenschaften.
Es ist bekannt, Gewebe durch Legen verschiedener Lagen von Fasern
in einem Stapel mit einer erforderlichen Dicke zu erzeugen. Die Gewebe können
von einem ungekrümmten oder einem Kettenwirktyp sein. Die Gewebe können
unidirektional (Fasern mit einer einzigen Ausrichtung) oder typischer multiaxial
sein. Der Begriff "multiaxial" bedeutet, dass abwechselnd Lagen von Fasern in mehreren
verschiedenen Richtungen gebildet werden, um ein Gewebe mit einer optimalen Stärke
und Steifigkeit in erforderlichen Richtungen zu erzeugen. Üblicherweise verwendete
Richtungen sind 0°, +45°, –45° und 90°. Normalerweise
und zum Zwecke dieser Erfindung liegen die 0°-Lagen in der Kettrichtung und
die 90°-Lagen in der Schussrichtung, andere Schichten können jedoch Fasern
unter verschiedenen Winkeln, typischerweise unter 45° oder –45°
enthalten. Der Begriff "ungekrümmt" bezieht sich auf Gewebe, bei denen eine
oder mehrere Schichten von Fasern aufeinander gelegt und durch Nähen oder Anbringen
eines Bindemittels in ein Gewebe umgewandelt werden, so dass die Fasern gerade und
ohne eine wesentliche Krümmung verbleiben. Zusätzlich dazu, dass ungekrümmte
Gewebe (NCF) Leistungsvorteile in Bezug auf übliche gewebte Materialien bieten,
können sie bei der Erzeugung pro Masseneinheit billiger und schneller herzustellen
sein. Solche Verbundstoffe haben zum Beispiel bei der Verwendung der Herstellung
von Flügeloberflächen Potential.
Wenn sich jedoch die Anzahl von Schichten bei einer Decke aus ungekrümmtem
Gewebe erhöht, verringert sich aufgrund der durch die Naht auferlegten Beschränkungen
die Fähigkeit zur Anpassung an Änderungen der Form der hergestellten Komponente
(Drapierung). Folglich sind die Drapierungseigenschaften unidirektionaler und biaxialer
NCF im Allgemeinen mit denen von gewebten Geweben vergleichbar, wohingegen die Drapierung
bei dreiaxialen, vieraxialen, etc. zunehmend beschränkt ist und folglich mögliche
Anwendungen beschränkt werden.
Die vorliegende Anmeldung betrifft ungekrümmte Gewebe mit verbesserten
Drapierungseigenschaften.
Die primäre Rolle der Naht besteht darin, die Lagen des ungekrümmten
Gewebes während einer Verwendung in überwiegend ungekrümmter Weise
zusammenzuhalten. Wenn die Dichte der Stiche jedoch zu groß ist, oder die Naht
eine zu große Spannung aufweist oder zu dick ist, dann kann eine Unterbrechung
oder ein Krümmen der Fasern auftreten.
Es ist auch bekannt, einen Bindemittelstaub für eine Vorformherstellung
unter Verwendung von nicht gekrümmten Geweben zu verwenden. Die Verwendung
solch eines feinen Staubs kann jedoch gefährlich sein, da der Staub von einem
Arbeiter eingeatmet werden kann oder die Haut des Arbeiters reizen kann.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen eines ungekrümmten
Gewebes vorgesehen, das umfasst, dass ein Verbund von Lagen bereitgestellt wird
und die Lagen unter Verwendung eines schmelzbaren Fadens zusammengenäht werden.
Solche Verfahren sind in FR-A-2 594 858, EP-A-0 361 796 oder US-A-4 857 379 offenbart.
Bei der Verwendung und gemäß der Erfindung besteht die primäre
Funktion des Stichs darin, die Fasern während der Herstellung des ungekrümmten
Gewebes zusammenzuhalten und ein Eingießen von Harz zu unterstützen. Während
der Stich zu Beginn eine Drapierung beschränkt, beseitigt ein letztliches Schmelzen
des Stichs diese Beschränkung. Bei der vorliegenden Anmeldung bedeutet der
Begriff schmelzbar, dass der Faden bei einer Erwärmung nicht nur selbst schmilzt,
sondern sich während einer Verarbeitung bei einer Temperatur auch in ein Harz
auflöst. Daher können durch ein Verwenden eines schmelzbaren Fadens die
genähten Lagen erwärmt werden, um den schmelzbaren Faden weich zu machen
oder zu schmelzen und somit die Drapierung des Gewebes zu verbessern.
Vorzugsweise sind die Lagen kett- und schussdominiert. Beispiele für
kett- und schussdominierte Lagen sind in EP-A-0826488 beschrieben, auf die der Leser
für Details verwiesen wird. Fasern jeder Lage, die bei dem Verbundstoff verwendet
wird, können in mehreren verschiedenen Richtungen gebildet sein. Bei der vorliegenden
Anmeldung sind sie vorzugsweise 0°, +45°, –45° und 90°,
aber bei der Schussausrichtung können Winkel von ±20° bis 90°
verwendet werden.
Das ungekrümmte Gewebe kann einen Masseanteil des schmelzbaren
Fadens zwischen 0,5 % und 10 % umfassen. Vorzugsweise umfasst das ungekrümmte
Gewebe einen Masseanteil des schmelzbaren Fadens zwischen 1 % und 3 %.
Der schmelzbare Faden schmilzt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen
40°C und 150°C in Abhängigkeit von der Anwendung und dem verwendeten
Verarbeitungsweg. Der geschmolzene Faden kann mit dem aushärtenden Harz reagieren
oder als eine separate Phase verbleiben, und verursacht vorzugsweise eine minimale
Verringerung der mechanischen Eigenschaften und verbessert die Beschädigungstoleranz.
Vorzugsweise sollte der schmelzbare Faden nach dem Aushärten eine Glasübergangstemperatur
(Tg) von höher als 120°C für Luft- und Raumfahrtanwendungen
aufweisen. Um die Schmelz- und Tg-Temperatur auszugleichen ist eine Reaktion
zwischen dem geschmolzenen Stich und dem Harz erwünscht. Eine Tg
von höher als 120°C würde insbesondere bei einer Kompression eine
Heiß-Nass-Leistung verbessern. Eine Tg von kleiner als 120°C
kann die Beschädigungstoleranz unterstützen.
Der schmelzbare Faden kann aus einem oder mehreren verschiedenen Materialien
gebildet sein. Wenn mehrere Materialien verwendet werden, können die Fäden
bei verschiedenen Temperaturen schmelzen oder sowohl schmelzbare als auch nicht
schmelzbare Materialien enthalten. Wenn ein Material nicht schmelzbar ist, sind
die Fasern vorzugsweise nicht durchgehend, wodurch eine Bewegung ermöglicht
wird, wenn das schmelzbare Material schmilzt. Bei normaler Verarbeitungstemperatur
umfassen nicht schmelzbare Fadenmaterialien: Polyester, Acrylamidpolymere, z.B.
Kevlar®, Kohlenstoff, Acrylnitrilpolymere, z.B. Panox®,
oder PBO. Schmelzbare Fadenmaterialien können Polyamide, Polymere von Polyethersulfon
mit niedrigerem Molekulargewicht, z.B. Grillon K-110 von EMS Chemie AG, oder Mischungen
mit Epoxidharzen umfassen.
Der schmelzbare Faden kann aus zwei oder mehreren verschiedenen Materialien
gebildet sein, die jeweils eine verschiedene Schmelztemperatur aufweisen.
Vorzugsweise läuft die Naht im Wesentlichen quer über die
Lagen und folgt einem vorbestimmten Muster. Das Muster kann ein geschlossenes Trikot,
einen offenen Kettenstich, einen geschlossenen Kettenstich, einen offenen Trikot-Kettenstich
oder einen geschlossenen Trikot-Kettenstich oder Varianten hiervon umfassen.
Das Verfahren umfasst ein Erwärmen der Lagen, wie zuvor erwähnt,
um die Drapierung des Gewebes zu verbessern. Bei einer Ausführungsform werden
die Lagen auf eine Temperatur erhöht, die nicht höher als die Schmelztemperatur
des Fadens ist. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Lagen jedoch auf
eine Temperatur erwärmt, die bei oder über der Schmelztemperatur des schmelzbaren
Fadens liegt, so dass der Faden schmilzt und dem Gewebe ermöglicht, sich zu
bewegen. Wo dies ohne das Vorhandensein eines Matrixharzes auftritt, erhält
ein Kühlen unter Druck unter die Schmelztemperatur im Wesentlichen die geformte
Gestalt unter Erzeugung einer Vorform aufgrund davon bei, dass der schmelzbare Stich
als ein In-situ-Bindemittel wirkt.
Eine Spannung in der ungeschmolzenen Naht neigt dazu, Kanäle
in dem ungekrümmten Gewebe zu erzeugen, die normalerweise unerwünscht
sind. Es wurde jedoch herausgefunden, dass das Verfahren ein leichteres Eingießen
von Matrixharz in das Gewebe durch die Kanäle ermöglichen kann, und dann
wird das Gewebe auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur der Naht erhöht,
wodurch die Naht schmilzt und die Spannung löst. Auf diese Weise bewegen sich
Fasern in dem ungekrümmten Gewebe, die aufgrund der Spannung in der Naht gekrümmt
wurden, um ein Krümmen zu minimieren, harzreiche Bereiche zu reduzieren und
eine Ultraschall-NDT-Prüfung zu verbessern.
Während das Verfahren ein Eingießen von Matrixharz in das
ungekrümmte Gewebe umfasst, ist der schmelzbare Faden vorzugsweise mit dem
Matrixharz chemisch kompatibel und weist ein ähnliches Modul auf.
Der schmelzbare Faden kann schmelzen und als eine von dem Matrixharz
separate Phase verbleiben, sich in der Matrix auflösen oder sich später
ablagern, wenn die Matrix ausgehärtet wird oder sich setzen kann.
Die Matrix kann ein Harz sein.
Die geschmolzene Naht kann auch als eine Härtungsphase in dem
ungekrümmten Gewebe mit eingegossenem Harz wirken. Solch ein sekundärer
Nutzen wäre bei Niveaus eines schmelzbaren Stichs von 5–10 % der Gewebemasse
normal.
Ein haariges Garn, das in der ebenfalls anhängigen UK-Patentanmeldung
offenbart ist, die gleichzeitig hiermit eingereicht wurde und den Titel "Composites"
trägt, kann in die Lagen eingeführt werden, um die Schereigenschaften
zwischen den Lagen zu verbessern und die Beschädigungstoleranz zu verbessern.
Ein ungekrümmtes Gewebe gemäß der Erfindung wird nun
beispielhaft und in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Schnittansicht eines ungekrümmten
Gewebes ist, das mit einem schmelzbaren Faden vernäht wird; und
2 eine Tabelle ist, die verschiedene Typen von Stichmustern
zeigt.
Bezug nehmend auf 1 wird ein ungekrümmtes
Gewebe 10 aus einem Verbund 12 mit Lagen 14a–14e
gebildet. Die Lagen sind multiaxial mit Fasern in den jeweiligen Lagen
14a bis 14e unter Winkeln von 0°, 90°, +45°, 90°
und –45°, wie in 1 gezeigt.
Ein Satz von Nadeln 16 wird verwendet, um das Zusammennähen
der Lagen 12 zu vereinfachen. Die Nadeln 16 bewegen
sich in einem vorbestimmten Muster quer nach oben und nach unten durch den Verbund
12, während der Verbund in eine durch den Pfeil "A" gezeigte Richtung
bewegt wird. Beispiele vorbestimmter verwendeter Stichmuster sind in 2
gezeigt.
Ein schmelzbarer Faden 18, z.B. hergestellt aus Grillon K-110®,
wird in die Nadeln 16 gefädelt. Der Faden 18 wird dann in
den vorbestimmten Mustern in den Verbund 12 gestochen.
Das ungekrümmte Gewebe 10 kann dann verwendet werden,
um Konstruktionskomponenten zu erzeugen. Das Gewebe 10 wird über ein
Vorformwerkzeug drapiert, um kopiert zu werden (nicht gezeigt), wobei das Gewebe
zuerst in Form geschnitten wird. Das Gewebe 10 wird auf eine Temperatur
bei oder über der Schmelztemperatur des Fadens erwärmt, um einen Teil
der Spannung in dem Faden zu lösen und auf diese Weise die Drapierung des Gewebes
zu verbessern.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Harz
(nicht gezeigt) in das ungekrümmte Gewebe 10 eingegossen. Während
des Eingießprozesses gelangt das Harz in Kanäle (nicht gezeigt), die sich
aus der Spannung in der Naht ergeben. Nach dem Eingießen wird das Gewebe
10 auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des Fadens erwärmt.
Dies bewirkt, dass die Naht schmilzt und auf diese Weise die Spannung löst.
Als ein Ergebnis können sich Fasern in dem ungekrümmten Gewebe
10, die aufgrund einer Spannung in der Naht gekrümmt wurden, bewegen,
um die Krümmung zu minimieren.
Bei noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann ein
"haariges Garn" (nicht gezeigt) verwendet werden. Stränge aus haarigem Garn
ersetzen Fasern in den Lagen 14. Die Stränge aus haarigem Garn in
einer Lage treten mit jenen in einer anderen in Interaktion, um auf diese Weise
die Scherstärkeeigenschaften des ungekrümmten Gewebes 10 zu verbessern,
wie es in der zuvor erwähnten UK-Patentanmeldung beschrieben ist, auf die der
Leser für alle Details verwiesen wird.
