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Auslegung und Konstruktion eines Anlagenmoduls zur kontinuierlichen Beschichtung textiler Strukturen mit Binder- und Matrixsystemen

Projektarbeit 2011 56 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Zielsetzung

2 Stand der Technik
2.1 Faserarten
2.1.1 Glasfaser
2.1.2 Kohlefaser
2.1.3 Aramidfaser
2.2 Textile Strukturen
2.2.1 Vliese
2.2.2 Maschenware
2.2.3 Nicht Maschenbildende Systeme
2.3 Matrixsystem
2.3.1 Duromere
2.3.2 Thermoplaste
2.3.3 Elastomere
2.4 Prepreg
2.5 Aufbau einer Beschichtungsanlage

3 Konstruieren nach VDI 2221

4 Methodische Lösungsfindung
4.1 Anforderungsermittlung
4.2 Erstellung der Funktionsstruktur
4.3 Suche nach Lösungsprinzipien für die Teilfunktionen
4.4 Auswahl geeigneter Wirkprinzipien
4.5 Bewertung und Auswahl der Konzeptvarianten

5 Konstruktion

6 Fazit und Ausblick

7 Literaturverzeichnis

8 Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Charakteristik der Kohlenstofffaser

Abb. 2 Flächige Textilhalbzeuge

Abb. 3 Vergleich Gewebe/Gelege

Abb. 4 Multiaxiales Gelege

Abb. 5 Schematische Darstellung der Kettenstruktur von Polymeren

Abb. 6 kontinuierlicher Entwicklungsprozess [PBFG07]

Abb. 7 Arbeitsschritte beim Konzipieren [PB07]

Abb. 8 Funktionsstruktur Beschichtungsmodul

Abb. 9 Teilansicht

Abb. 10 Prinzip Scherenkonstruktion

Abb. 11 Foulardführung

Abb. 12 Schnittansicht Foulard

Abb. 14 Draufsicht Zentrierplatten

Abb. 15 Zylinderanbindung

Tabellenverzeichnis

Tab. 1 Anforderungsliste Anlagenmodul

Tab. 2 House of Quality

Tab. 3 Morphologischer Kasten

Tab. 4 Auswahlliste

Abkürzungs- und Formelverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung und Zielsetzung

Die am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA) eingesetzte Laboranlage zur Beschichtung textiler Strukturen weist Mängel in der Wirtschaftlichkeit auf. So ist es derzeit nicht möglich die gesamte Menge des eingesetzten Harzes zu verarbeiten.

Das Fassungsvolumen der Wanne, die zur Beschichtung eingesetzt wird, ist für die Beschichtung von Kleinstmengen nicht optimal ausgelegt. Um Versuchsreihen für die Forschung zu produzieren, sind 2-3 Liter des Harzes ausreichend. Die Wanne benötigt aber ein Vielfaches dieser Menge zum Beschichten. Die Folge ist ungenutztes Harz, das in den Toträumen der Wanne verhärtet und nicht weiter verwendet werden kann.

Ziel ist, eine Lösung zu finden, mit der es möglich ist, mit maximal 3 Litern Harz die Versuchsträger zu beschichten. Die Anlage muss leicht zu bedienen und zu reinigen sein. Die Konstruktion soll leicht umsetzbar und kostengünstig sein.

Durch den Einsatz des neuen Moduls wird es möglich sein auch Kleinstmengen beschichteter Fasern zu produzieren ohne Material zu verschwenden.

2 Stand der Technik

In den folgenden Abschnitten erfolgt ein Überblick über den Stand der Technik. Von den Faserarten, den Gelege- und Gewebestrukturen über verwendete Harzsysteme bis hin zum Prepregprozess.

2.1 Faserarten

Für die Beschichtungsanlage des ITA sind insbesondere die Verstärkungsfasern Glasfaser, Kohlefaser und Aramidfaser wichtig.

2.1.1 Glasfaser

Textile Glasfasern werden aus Rohstoffen hergestellt, die traditionell zur Glasfabrikation verwendet werden, nämlich Quarzmehl, Flussspat, Kaolin, Kalkstein und Colemanit. Diese Ausgangsmaterialien werden feingemahlen und je nach Glastyp bestimmte Mengen an Metalloxid zugemischt. Das Gemenge wird bei ca. 1400 °C aufgeschmolzen und durch 1-2 mm dicke Spinndüsen gedrückt. Zur Vermeidung der Kristallisation werden die Endlosfäden rasch abgekühlt und zu fünfzig bis mehrere Tausend Endlosfasern, sogenannte Filamente, von 5-24 µm Durchmesser gezogen. [AVK10]

Beim Aufwickeln werden die Glasfasern mit einer Schlichte versehen, um die scheuerempfindlichen Fasern zu schützen. [AVK10][Che11]

2.1.2 Kohlefaser

Bei der Herstellung der Kohlenstoff- oder Carbonfaser kommen zwei Verfahren zum Einsatz, die sich technisch gesehen in der eingesetzten Vorstufe, dem Precursor, unterscheiden. Das am weitesten verbreitete Verfahren ist die Herstellung aus Polyacrylnitril (PAN).

Das thermoplastische Polyacrylnitril reagiert in der ersten Stufe in einem oxidierenden Milieu. Die unschmelzbare Faser wird karbonisiert während sich Pyridin-Ketten zu molekularen Bändern zusammenlagern. Durch eine Orientierung in die dritte Dimension entsteht eine graphitartige Struktur.

Kohlefaser besitzt im Vergleich zu Glasfaser einen höheren Elastizitätsmodul. Dadurch sind Bauteile größerer Steifigkeit realisierbar.

Verschiedene Endbehandlungstemperaturen charakterisieren drei Faserklassen. Die hochfesten Fasern (HT- Type; 1200 °C-1500 °C), Zwischenmodulfasern (IM; 1500 °C1800 °C) und Hochmodul-/Ultrahochmodulfasern( HM, UHM; bis 3000 °C). Abb.1 zeigt beispielhaft die Unterschiede der Faserklassen in Zugfestigkeit und Schubmodul.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 Charakteristik der Kohlenstofffaser: Zugfestigkeit/Zugmodul bei unterschiedli chen Faserklassen [Sch07]

Im Gegensatz zu den PAN-basierten Kohlenstofffasern haben die aus MesophasenPech einen höheren E-Modul und geringere Zugfestigkeiten. Analog dem PANHerstellungspfad ist die Faser unschmelzbar. Erst dadurch kann sie in der darauffolgenden Karbonisierung zu einer Kohlenstofffaser thermisch abgebaut werden. [AVK10]

2.1.3 Aramidfaser

Aramid ist aus Amidgruppen und aromatischen Ringen aufgebaut, die der Faser eine hohe thermische Stabilität verleihen. Hergestellt wird die Faser, indem das aromatische Polyamid in einem Lösungsmittel (Schwefelsäure) aufgelöst, versponnen und anschließend gereckt wird. Polymerfasern aus Aramid sind besonders interessant für den ballistischen Schutz in Autos oder splittersicheren Westen.

2.2 Textile Strukturen

Die Textilen Flächengebilde gliedern sich in Vliese, Maschenware (Gewirke, Gestricke) und nicht maschenbildende Systeme (Gewebe, Gelege, Geflechte).

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Abb. 2 Flächige Textilhalbzeuge

2.2.1 Vliese

Vliese bestehen aus lose zusammenliegenden Fasern, welche nicht miteinander verbunden sind. Die Festigkeit eines Vlieses beruht nur auf der fasereigenen Haftung, kann aber durch Aufarbeitung beeinflusst werden.

2.2.2 Maschenware

Zur Maschenware zählen Gestricke und Gewirke, bei denen die Fäden in maschenförmigen Schleifen ineinander verschlungen bzw. miteinander verstrickt werden. Gestricke und Gewirke eigenen sich sehr gut für räumliche Strukturen. [Sch07]

2.2.3 Nicht Maschenbildende Systeme

Die nicht maschenbildenden Systeme werden in Gewebe, Gelege und Geflechte unterteilt.

Aufgebaut ist das konventionelle Gewebe aus mindestens zwei Fadensystemen, die rechtwinklig miteinander verkreuzt sind. Die in Fertigungsrichtung verlaufenden Fäden werden als Kettfäden und die quer dazu verlaufenden Fäden als Schussfäden bezeichnet. [Che11]

Im Vergleich zu unidirektionalen Fasergelegen (siehe unten) ist die textile Handhabung einfacher und ihre Drapierbarkeit über geometrisch komplexe Formkörper besser. [Erm07]

Das Verweben von Fasern geht zwangsläufig mit einer Umlenkung der Fasern innerhalb der Gewebe, der sogenannten Ondulation, einher. Ondulation bewirkt insbesondere eine Absenkung der faserparallelen Druckfestigkeit. Daher werden für mechanisch hochwertige Faser-Kunststoff-Verbunde Gelege verwendet, in denen die Fasern nicht ondulieren.

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Abb. 3 Vergleich Gewebe/Gelege

Bei den Gelegen ist das Unidirektionale Fasergelege (UD-Gelege) besonders zu erwähnen. UD-Gelege sind Bänder aus parallel angeordneten Rovings, die durch quer angebrachte dünne Klebevliese oder durch einen in größeren Abständen eingeführten Schuss- oder Nähfaden zusammengehalten werden. Die UD-Gelege nutzen die Eigenschaften der Verstärkungsfasern im höchsten Maße, da alle Filamente parallel ausgerichtet sind.

Eine besondere Form der UD-Gelege ist das Multiaxialgelege (MAG). Um das volle Potenzial der Fasern nutzen zu können wurden Gelege entwickelt, bei denen UDSchichten wellenfrei miteinander durch gewirkte Maschen abgebunden sind. Beispielsweise lassen sich die häufig vorkommenden Laminate mit den vier Faserrichtungen 0°/90°/+45°/-45° herstellen (vgl. Abb. 4).

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Abb. 4 Multiaxiales Gelege

Die Gruppe der Geflechte zeichnet sich durch die Herstellung von nahezu formtreuen Halbzeugen aus. Bei ihrer Herstellung werden, im Unterschied zu anderen textilen Prozessen, offene Garnenden miteinander verkreuzt. [AVK10]

2.3 Matrixsystem

Eine Matrix ist eine Bettungsmasse, die die Fasern umgibt. Dies sind bei FaserKunststoff-Verbunden Kunststoffe, bei anderen Verbunden können es Metalle, Keramiken, Gläser oder Beton sein.

In einem Faser-Kunststoff-Verbund übernimmt die Matrix wichtige Aufgaben:

- Fixieren der Fasern
- Leiten der Kräfte in die Fasern
- Übernahme der Beanspruchung quer zur Faserrichtung  Schutz der Fasern vor Umgebungseinflüssen

Dichte, Steifigkeits- und Festigkeitswerte, Kriech- und Relaxationsverhalten, Schlagzähigkeit und Temperatureinsatzgrenzen des Verbundwerkstoffs werden entscheidend von der Matrix beeinflusst.

Als polymere Matrixsysteme kommen Duroplaste, Thermoplaste oder Elastomere zum Einsatz. Die betrachtete Beschichtungsmaschine des ITA arbeitet jedoch hauptsächlich mit Duroplasten, die vorallem für den Prepregherstellungsprozess wichtig sind. [Sch07]

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Abb. 5 Schematische Darstellung der Kettenstruktur von Polymeren

a) linearer, amorpher Thermoplast b) linearer, teilkristalliner Thermoplast

c) chemisch vernetzter Elastomer d) chemisch vernetzter Duroplast [Sch07]

2.3.1 Duromere

Duromere oder Duroplaste sind räumlich hochvernetzte Kunststoffe (siehe Abb.5d). Die Anordnung der Molekülketten ist ungeordnet (amorph). Nach ihrer Aushärtung lassen sie sich nicht mehr verformen.

Vorteile:

- Hoher E-Modul
- Geringe Kriechneigung
- Gute thermische und chemische Beständigkeit
- Gute Verarbeitung

Nachteile:

- Nicht aufschmelzbar
- Nicht schweißbar
- Steigendes Bruchverhalten mit steigendem Vernetzungsgrad
- Nicht recycelbar, da nicht aufschmelzbar

2.3.2 Thermoplaste

Thermoplast ist der Oberbegriff für die Klasse der schmelzbaren Kunststoffe. Sie bestehen aus linearen oder verzweigten Makromolekülen, die räumlich nicht vernetzt sind (Siehe Abb. 5a, b). Der Zusammenhalt der untereinander chemisch nicht gebundenen (vgl. Duroplaste) Makromoleküle wird durch Nebenvalenzbindungen hervorgerufen. Diese verhindern das Abgleiten bei Einwirkung von Kräften. [Sch07]

Thermoplaste sind plastisch verformbar und haben den Vorteil, dass sie schweißbar und leicht recycelbar sind. Es gibt teilkristalline und amorphe Thermoplaste. Typische Vertreter dieser Materialklasse sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyamid (PA). [Sch07]

In amorphen Thermoplasten liegen die Kettenmoleküle völlig ungeordnet vor. Sie weisen gegenüber teilkristallinen Thermoplasten etwas geringere Schwindungswerte und eine geringere Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften auf. Typische amorphe Thermoplaste sind Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonat (PC) und Polymethylmethacrylat (PMMA).

Vorteile:

- Aufschmelzbar
- Schweißbar
- Hohe Zähigkeit
- Recyclingfähig

Nachteile:

- Kriechneigung bei hohen Temperaturen
- Geringe Druckfestigkeit
- Geringe Steifigkeit

2.3.3 Elastomere

Im Unterschied zu Duroplasten sind die Molekülketten der Elastomere nur schwach räumlich vernetzt (Siehe Abb.5c) und dadurch sehr dehnfähig. Damit sind Elastomere in hohem Grad reversibel verformbar. Elastomere sind wie Duromere nicht schmelzbar und somit nicht schweißbar. Sie sind nicht löslich, aber quellbar. Die bekanntesten Elastomere sind Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Ethylen-Propylen-DienMonomer (EPDM). [Sch07]

Vorteile:

- Sehr dehnfähig
- Reversibel verformbar

Nachteile:

- Nicht schmelzbar
- Nicht schweißbar
- Nicht Recyclingfähig

2.4 Prepreg

Vorimprägnierte textile Halbzeuge, sogenannte Prepregs, sind ein wichtiges Ausgangsmaterial für die Herstellung von duroplastischen und thermoplastischen Verbundwerkstoffen. Grundprinzip der Verwendung dieser speziellen Form der textilen Halbzeuge ist die Trennung des Tränkungsvorgangs bei der Verbundwerkstoffherstellung vom eigentlichen Herstellen der Bauteilform. Bei duroplastischen Prepregs erfolgt die Tränkung der textilen Strukturen mit duromeren Harzsystemen. Bei geeigneter Lagerung sind sie auch nach längerer Zeit (mehrere Monate bis über ein Jahr) zur Bauteilherstellung geeignet.

2.5 Aufbau einer Beschichtungsanlage

Eine Beschichtungsanlage muss prinzipiell folgende Teile enthalten:

- Abrolleinheit, von der aus die Textilien der Anlage zugeführt werden
- Beschichtungsmodul
- Ofen
- Aufroll-/ Schneideinheit

Durch abrollen der aufgewickelten textilen Strukturen wird der Beschichtungsanlage des Instituts für Textiltechnik der RWTH Aachen das Material zugeführt. Walzen lenken das Textil durch eine Wanne, die mit Harz gefüllt ist. Über der Wanne passiert das durchtränkte Material eine Quetscheinheit, die überschüssige Harzmengen abstreift und gleichzeitig die Durchtränkung verbessert. Danach durchläuft das Textil einen Ofen, in dem die chemischen Reaktionen zwischen Harz, Härter und textilem Grundstoff ablaufen. Die Zugeinheit am Ende der Anlage wickelt das imprägnierte Textil wieder auf.

3 Konstruieren nach VDI 2221

Die Entwicklung und Konstruktion des Anlagenmoduls erfordert ein strukturiertes und detailliertes Vorgehen. Um eine Lösung für das Problem zu finden ist eine explizite Methodenfindung notwendig, die den Verlauf der Konstruktion in die richtige Richtung lenkt. Mithilfe der VDI 2221 wird ein kontinuierlicher Entwicklungsprozess sichergestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6 kontinuierlicher Entwicklungsprozess [PBFG07]

Vor der Ermittlung der Anforderungen an die Konstruktion, muss die Aufgabenstellung präzise geklärt sein. Dies ist von besonderer Bedeutung, da nur mit einer genauen Problemstellung die Vollständigkeit der Anforderungsliste gewährleistet werden kann. Diese Liste ist für alle folgenden Arbeitsabschnitte eine begleitende und stets auf dem aktuellen Stand zu haltenden Informationsunterlage. Änderungen und Ergänzungen können fortlaufend und konsequent während des Entwicklungsprozesses durchgeführt werden (vgl. Abb. 6 Informationsbrücke links).

Bei der Anforderungsermittlung sind nach Pahl/Beitz drei fundamentale Fragen zu klären: [PBFG07]

- Welchen Zweck muss die beabsichtigte Lösung erfüllen?
- Welche Eigenschaften muss sie aufweisen?
- Welche Eigenschaften darf sie nicht haben?

Die so ermittelten Anforderungen lassen sich in Forderungen und Wünsche gliedern. Forderungen müssen unter allen Umständen erfüllt werden, da ohne sie die Lösung nicht akzeptabel ist. Wünsche werden nach Möglichkeit berücksichtigt, auch wenn ein begrenzter Mehraufwand nötig ist.

An die Erstellung der Anforderungsliste schließt sich die konzeptionelle Phase an, deren Schritte der folgenden Abbildung entnommen werden können. [PBFG07]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7 Arbeitsschritte beim Konzipieren [PB07]

Im nächsten Arbeitsabschnitt werden Gesamt- und Teilfunktionen ermittelt. Deren Gliederung und Kombination zu Strukturen bildet die Grundlage zum Suchen nach Lösungen für das Gesamtprodukt. Komplexe Systeme werden durch Abstraktion vereinfacht. Durch die Gliederung des Problems in kleinere Teilprobleme werden logische Zusammenhänge einfacher erkennbar. [PBFG07]

Der dritte Arbeitsschritt befasst sich mit dem Finden der Lösungsprinzipien. Hierzu werden ausgewählte physikalische und chemische Effekte durch sogenannte wirkstrukturelle Festlegungen (Geometrie, Kinematik, Werkstoffart) realisiert. Die daraus resultierenden prinzipiellen Lösungen beinhalten die Wirkstruktur zum Erfüllen einzelner Funktionen.

Durch das Gliedern der prinzipiellen Lösung in realisierbare Module entsteht eine Struktur, die die Teilsysteme und Systemelemente, einschließlich deren Verknüpfungen, erkennen lässt. Dies wird zum Beispiel in einem Morphologischen Kasten, einem Fließdiagramm oder in Anordnungsplänen dargestellt. Mit Hilfe dieser kann auch eine Bewertung der Lösungen erfolgen, indem die Lösungen untereinander und mit einer Ideallösung verglichen werden. Erfüllt eine Lösung eine Anforderung der Anforderungsliste nicht, bedeutet das den Ausschluss der Lösung.

Mit Findung des Lösungsprinzips ist die konzeptionelle Phase abgeschlossen. An sie schließt sich eine Grobgestaltung der Komponenten an und erste Vorentwürfe entstehen. Arbeitsergebnis ist die Produktdokumentation mit Teilzeichnungen, Stücklisten und Montageanleitungen.

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Details

Seiten
56
Jahr
2011
ISBN (eBook)
9783656963851
ISBN (Buch)
9783656963868
Dateigröße
1.8 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v300160
Institution / Hochschule
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen – ITA
Note
2,0
Schlagworte
Prepreg Durchtränkung kontinuierliche Beschichtung textile Strukturen Binder- und Matrixsystemen Konstruktion morphologischer Kasten Inventor Weiterentwicklung

Autor

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Titel: Auslegung und Konstruktion eines Anlagenmoduls zur kontinuierlichen Beschichtung textiler Strukturen mit Binder- und Matrixsystemen