Werkstoffe II - Textile Verstärkungshalbzeuge Flashcards
Erklären Sie die Vor- und Nachteile in der Verwendung von Gelegen oder Geweben
Gelege: + gestreckte Fadenlagen, dadurch hohe Festigkeiten und Steifigkeiten möglich
+ geeignet für alle Fadenarten und –Systeme
+hohe Verschiebefestigkeit und dimensionsstabil
+ multiaxiales Ablegen der Fäden (tri- oder mehraxial),
dadurch ist das Erzeugen von unidirektionalen, mehraxialen
oder isotropen Eigenschaften möglich
- schlecht drapierbar
- geringe Festigkeiten in „Dickenrichtung“ der Struktur
Gewebe: + hohe Verschiebefestigkeit
+ geeignet für alle Fadenarten und -Systeme
+ preisgünstiges Verfahren zur Erzeugung großer Flächen
- bei Diagonalbelastung instabile Kette-Schuss-Systeme
- keine gestreckte Fadenlage, deshalb geringere Steifigkeiten und Festigkeiten
- wenig flexibel
Welche Vorteile ergeben sich durch das Spreizen von Heavy Tows?
- höhere mechanische Festigkeit
- Verstärkungstextilien werden extrem leicht
Nennen Sie 2 Vorteile von 3D-Geweben?
- Hoher Bewehrungsgrad
- Hohe Strukturfestigkeit
Herstellungsprozess von Hybridgarnen und relevante Prozessparameter
- Abzug der Verstärkungs- und Matrixfasern über (beheizbare) Abzugsgaletten (eventuell mit zwischengeschalteten Spreizstangen für die MF)
- Zusammenführung der beiden Fasern und Durchlaufen der Verwirbelungs-/Mischbox
- Austritt aus der Box durch Abzugsgalette
- Aufwicklung des Commingling-Garns
Relevante Prozessparameter: - Mischdüse (Luftdüse)
- Luftdruck
- Überförderungsraten (Geschwindigkeiten der Zuführung von Verstärkungs- und Matrixfasern)
- Produktionsgeschwindigkeit
Motivation, Ausgangsmaterialien und Prinzip von gespreizten Garnen
Motivation: -Leichte Verstärkungsfaserbänder
-Herstellung extrem leichter Verstärkungstextilien
(Flächengewicht < 100 g/m²)
-Gestreckte Ausrichtung der Filamente
(höhere mechanische Festigkeit)
Ausgangsmaterialien: Schwere Multifilamentgarne
(z. B.: Carbon Heavy Tow)
Spreizprinzipien: -Mechanisch (Spreizstangen, -rollen teils mit Vibrationsunterstützung)
- Aerodynamisch (Spreizdüse)
- Einige weitere …
Vorteile von gespreizten Garnen
Verbesserung der Druckfähigkeit
verbesserung der Biegeeigenschaften
-> generell Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Filamentgarnen oder textilen Flächen
Beispiele für 2D-Strukturen
Vlies Maschenwaren (Gestricke und Gewirke) Kettengewirke Gewebe Drehergewebe Geflechte (flach oder rund)
Unidirektionale Verstärkungshalbzeuge (UD)
Motivation, Ausgangsmaterialien, Verarbeitung
Motivation: -Extrem leichte Verstärkungsfaserhalbzeuge (ab 50 g/m²)
- Hochfeste Gelege aufgrund paralleler Faserlage
- Glatte Oberfläche
Ausgangsmaterialien: -Roving, Heavy Tow
-Gespreizte Multifilamentgarne (Tapes)
Verarbeitung: -Ablage von Tapes zu UD-Gelegen
- Fixierung durch Binder bzw. Verarbeitung zu UD Prepregs
- Fixierung durch dünne Gitterstruktur
- Weiterverarbeitung zu leichten multiaxialen Kettengewirken
Carbonfaservliese (Verfahren, mögliche Materialmischungen, Anwendungen)
Verfahren: -Nassprozess/Papierprozess (Pulp & Kurzfaser)
- Aerodynamischer Prozess, z.B. Airlay (Kurz- und Langfaser)
- Mechanischer Prozess, z.B. Krempel (Kurz- und Langfaser)
Materialmischungen: -Reines C-Vlies aus Neu- oder Rezyklatfaser
-Mischvlies aus C-Faser und Matrixfaser
(besonders gut geeignet für Verarbeitung zu OrganoBlechen)
Anwendungen: Autositz, Motorradprotektoren,
Funktionsschichten in Kompositen (Heizen, EM-Abschirmung), u.v.m.
Definition von Geweben und weltweite Nachfrage
-Gewebe bestehen aus zwei oder mehr senkrecht miteinander verkreuzten Fadensystemen:
Kettfäden und Schussfäden
-Gesamtproduktion an Fasern (2017): ca. 71,6 Mio.t Fasern jährlich
-Weltweite Nachfrage an Gewebe (2014): ca. 26,6 Mio.t Gewebe
-Marktanteil technische Gewebe : ca. 30 %
Fachbildung bei Webmaschinen
Um einen Schussfaden eintragen zu können, muss zunächst ein Webfach gebildet werden. Dazu
werden die Kettfäden individuell oder als Fadenschar angehoben bzw. abgesenkt.
- > Für die Fachbildung werden eingesetzt: -Schaftmaschinen (kollektive Kettfadenbewegung)
- Exzentermaschinen (kollektive Kettfadenbewegung
- Jaquardmaschinen (Individuelle Kettfadenbewegung)
Fachbildung mit Schäften
-gleichzeitiges Heben/Senken aller Kettfäden, die in einen Schaft eingezogen wurden -begrenzte Musterungsmöglichkeit -geeignet zur Herstellung von • Leinwand- • Köper- und • Atlasgewebe
Rapport und Flottierung
Rapport: Eine Bindung wiederholt sich in Quer- und Längsrichtung. Die kleinste Einheit, durch deren Vervielfältigung das Gewebe entsteht, wird als Bindungsrapport bezeichnet
Flottierung: Flottierung ist die freie, ungebundene Fadenlänge von Kett- und Schußfäden zwischen mehr als zwei Bindungspunkten. Lange Flottierungen ergeben ein ruhiges, glattes Erscheinungsbild.
Gewebebindungen und dazugehörige Auswahlkriterien
->Möglichst flacher Fadenlauf • Geringe Ondulation (Faserkrümmung) für höhere Festigkeit, geringe Dehnung • Z.B. Atlasbindung ->Gute sphärische Verformbarkeit • Drapierbarkeit für komplexe Formen • Z.B. Köperbindung ->Gute Handhabung • Verschiebefeste, formstabile Struktur • Z.B. Leinwandbindung ->Offene Strukturen • Durchlässig für grobkörnige Matrizes, geringes Flächengewicht • Drehergewebe (zählt nicht zu den drei Grundbindungen)
Schusseintragsverfahren moderner Webmaschinen
Greifer, Projektil, Luft, Wasser, Schützen
Schusseintrag mit Greifer
- Ein Greifer transportiert den Faden bis zur Fachmitte
- Zweiter Greifer übernimmt den Faden und zieht ihn durch das Fach
- Starre Stangengreifer oder flexible Bandgreifer
- Schusseintrag gut kontrollierbar
- Besonders für empfindliche Schussmaterialien (z. B. Glas, Carbon) geeignet
- bis zu 450 Schuss pro Minute
- bei Carbon- und Glasfasern bis zu 250 Schuss/min
- Beschleunigungen bis zu 400g
Schusseintrag mit Luft
- Beschleunigung des Schussfadens durch Haupt- und Stafettendüsen
- Produktivstes Verfahren, geringste beschleunigte Masse
- Verfahren ist weniger flexibel, schädigung des Schussfadens durch Lufteinwirkung möglich
- bis zu 1200 U/min möglich
Erklärung von Drehergewebe
- Kantenbildung bei Webverfahren mit unechter Kante
- sehr offene Strukturen (z. B. für Geo- und Agrotextilien, Siebe und Filter und Bauanwendungen)
- Hauptunterschied zwischen Dreher- und konventionellen Geweben: Bei Drehergeweben umschlingen sich mindestens 2 benachbarte Kettfäden gegenseitig
Merkmale und Vorteile von Tape-Webmaschinen
Merkmale:
- Garnmaterial: „Tapes“ (üblicherweise CF/PA6 or Glass/PP)
- Kettrichtung: 8 – 40 mm Tapebreite
- Schussrichtung: 8 – 25 mm Tapebreite
- Verdrehungsfreier Schusseintrag
- Schusseintragsleistung: 40 - 50 Schuss pro Minute
Vorteile: -Geringes Flächengewicht der Textilhalbzeuge
- Geringe Faserwelligkeit (Ondulation)
- Hohe Faserorientierung
Open reed Weaving (Prinzip, Vor- und Nachteile)
Prinzip: Herstellung multiaxialer und lokal verstärkter Gewebe • Zwei zusätzliche, über die Webbreite verschiebbare Fadensysteme • Verschieben der Multiaxial-Fäden über Verlegenadeln • Einbinden der Multiaxial-Fäden durch Absenken der Nadeln • Absenken wird durch offene Rietlücken ermöglicht
Vorteile: • Erhöhte Anzahl Lagenorientierungen • Einstufiger Prozess • Potential zur Verschnittreduzierung im Preforming
Nachteile: • Prozesstechnik nicht ausgereift
• Mechanische Eigenschaften der
Gewebe bisher unbekannt
Produktmöglichkeiten von Open Reed Weaving
- > Multiaxialgewebe
- Multiaxial-Fäden über gesamte Webbreite
- Zick-Zack-förmiger Verlauf der Fäden
- Winkel einstellbar (z.B. 0/90/+45/-45°)
- Streifen von multiaxialem Gewebe
- > Lokal verstärktes Gewebe
- Einbringen einzelner Verstärkungsfäden
- Erzeugung von lokalen Verstärkungen,
z. B. für Durchbrüche, Anschlussstellen
Unterschied zwischen Geweben und Gelegen
Ondulation
-> Faserumlenkung bei Geweben (Wellenform), bei Gelegen liegen die jeweilige Schichten bloß unverbunden aufeinander
Bindungsarten bei Kettengewirken
- Fransenbindung
- Trikotbindung
- Tuchbindung
Tailored NFC (Maßgeschneiderte Gelege) für lokal angepasste Wirkmuster (Prinzip und Vorteile)
Prinzip: -Elektronische Legebarre
-Entlang der Produktionsrichtung verschiedene Wirkmuster einstellbar
Vorteil: Lokal einstellbare Drapierbarkeit
Tailored NFC (Maßgeschneiderte Gelege) für lokal verstärkte Gelege (Prinzip)
Prinzip: -Multiaxiale Gelege bilden die Grundlagen
- Auf diesen werden Verstärkungsstrukturen platziert
- Die Fixierung erfolgt während des Wirkprozesses
- Hierfür werden adaptierbare Niederhalter benötigt
Vorteile von Tailored NFC (Maßgeschneiderte Gelege)
->Bessere mechanische Eigenschaften durch zusätzliche lastweggerechte Verstärkung • lokal angepasste Drapierbarkeit ->Geringerer Materialverbrauch durch lokal angepasste Materialdicke • verschnittarme Patches ->Kosteneffiziente Produktion
Definition von Geflechten und mögliche Bindungsarten
Ein Geflecht beschreibt das Wechselweises Verkreuzen von mindestens 3 Fäden
Bindungsarten: -Normal
- Diamant
- Herkules
Geflechtarten
- Litzengeflecht
- Rundgeflecht
Anwendungen von 2D-Geflechten
-Verstärkungshalbzeug aus Glas-, Aramid-,
Natufaser- oder Carbonrovings
-Endkonturnahe Fertigung durch Umflechten eines
Kerns möglich
-Kommerzielle Anwendungen z.B. im Sportbereich
Auswahlkriterien von UD für den Einsatz in Faserverbundwerkstoffen
Mechanische Eigenschaften: ++
Verarbeitbarkeit: -
Kosten: ++
Marktverbreitung: +-
Auswahlkriterien von Multiaxialen Gelegen für den Einsatz in Faserverbundwerkstoffen
Mechanische Eigenschaften: ++
Verarbeitbarkeit: +
Kosten: +
Marktverbreitung: ++
Auswahlkriterien von Geweben für den Einsatz in Faserverbundwerkstoffen
Mechanische Eigenschaften: +
Verarbeitbarkeit: ++
Kosten: +
Marktverbreitung: ++
Auswahlkriterien von Geflechten für den Einsatz in Faserverbundwerkstoffen
Mechanische Eigenschaften: +
Verarbeitbarkeit: ++
Kosten: -
Marktverbreitung: -
Auswahlkriterien von Vliesen für den Einsatz in Faserverbundwerkstoffen
Mechanische Eigenschaften: -
Verarbeitbarkeit: +
Kosten: ++
Marktverbreitung: +
Zusammenfassung Vliesstoffe
- Unorientierte Faserlage (geringe Festigkeit)
* bei Carbon- und Glasfasern aus Schnittfasern hergestellt
Zusammenfassung UD Verstärkungshalbzeuge
- gestreckte Faserlage, daher sehr hohe Festigkeit
* schlechte Drapierbarkeit
Zusammenfassung Gewebe
- Eigenschaften in weiten Bereichen variierbar (z.B. mit Bindung), jedoch Ondulation
- Günstige Maschinen und produktive Herstellung
Zusammenfassung Biaxial- und Multiaxialgewirke
- gestreckte Faserlage, daher hohe Festigkeit
* Hohe Produktivität der Anlage
Zusammenfassung Geflechte
Gut anpassbar an Bauteilgeometrie
Definition von 3D-Textilien
->Als 3D-Textil gilt, was in der Fadenarchitektur UND/ODER der Textilarchitektur Dreidimensionalität aufweist.
->Dabei kann es sich um einstufig oder mehrstufig
hergestellte Textilien handeln.
- Faserarchitektur: Anordnung der FASER auf Garnebene
- Fadenarchitektur: Anordnung der FÄDEN auf Textilebene
- Textilarchitektur: Geometrie / Gestalt des TEXTILS
Abstandskonturengewirke als Betonbewehrung
-> 3D-Sandwich: -Hoher Bewehrungsgrad/ Verstärkungsfaserquerschnitt
-Hohe Struktursteifigkeit
-Integration von Schaumkernen ins Textil
-> 3D-Waffel: -Einseitig konturierte Deckfläche
-Deckflächen individuell gestaltbar
3D-Gitter: -Beidseitig durchbrochene Deckflächen
-Stegbreite und Gitteröffnungen anpassbar
3D-Doppelgewebe
-Es werden zwei Grundgewebe hergestellt, die durch Polfäden miteinander verbunden sind.
-Bei der Teppichherstellung werden die Polfäden in der Mitte aufgeschnitten. Der Abstand zwischen den Grundgeweben entspricht der doppelten Polhöhe
der beiden Teppiche. Bei technischen Einsatzgebieten werden die Doppelgewebe ohne Trennung der Polfäden eingesetzt.
Wie werden 3D-Profilgewebe hergestellt?
- Direkte Herstellung von einschrittig gewebten Profilen
- Herstellung von flachen Mehrlagengeweben auf herkömmlichen Webstühlen
- Anschließend werden die Gewebe aufgefaltet und können imprägniert werden
Beispiele für 3D-Profilgewebe
-Z-Verstärktes T-Profil (zur Verringerung der Delamination)
-Omega-Profil
-Weitere Profile wie I- und JF-Profile möglich
-Größere Wandstärken durch
mehre Lagen ebenfalls möglich
-Erzeugung in einem Prozessschritt
Typische Anwendungen für 3D-Geflechte
Druckbehälter und Rohre
Beispiele für 1D-Strukturen
Filament, Roving, Garn
Herstellungsverfahren für Multifilamentgarne
• Schmelzspinnen für PP, PET, Glas, Basalt... • Lösungsmittelspinnen für Viskose, Aramid... • Pyrolyse eines Vorlagegarns
Anwendungsgebiete für Multifilamentgarne
- Herstellung von Garnen
- Herstellung von textilen Strukturen
- Bewehrung von Verbundwerkstoffen
Prinzip technischer Zwirne
• Zwirnen ist das Zusammendrehen von 2 oder mehr Garnen
• Mehrere Filamente werden um die Garnachse verdreht
• Daraus kompakte Garnstruktur, in der die Filamente stark miteinander verbunden sind
• Dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung der äußeren
Lasten im Bewehrungsquerschnitt bewirkt
• Der Zweck des Zwirnens ist vor allem die Verbesserung der Reißfestigkeit und der Gleichmäßigkeit
Herstellungsverfahren und Anwendungsbiete von technischen Zwirnen
- Ringzwirnen
- Doppeldrahtzwirnen
- Kablieren
- Zahnriemen und Transportbänder
- Reifencord
- Technische Nähgarne
Vorteile von Hybridgarn-Anwendung
• Hybridgarne bieten einzigartige Möglichkeiten
- Kurze Fließwege
- Direkte Umformung ohne Voraushärtung
• Breite Spanne an Materialkombinationen
- Matrixwerkstoff
- Verstärkungsfaser
- Verhältnis zwischen Matrix- und Verstärkungsfasern
- Feinheit (Tex) der Garne/Rovings
