ENTANGLED CARBON-FIBER NONWOVEN PRODUCTION METHOD AND ASSEMBLY, THREE-DIMENSIONAL-COMPONENT NONWOVEN PRODUCTION METHOD, AND NONWOVEN FABRIC
B E S C H R E I B U N G Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahren, -anordnung, Dreidimensionalbauteil-Vliesherstellungsverfahren sowie Faservlies Die Erfindung betrifft ein Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahren sowie Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsanordnung für Kohlenstofffasern bis zu einer Faserlänge von 100 mm. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Vlieses für ein dreidimensionales Bauteil. Als Vliese oder Vliesstoffe werden Gebilde aus Fasern begrenzter Länge, Endlosfasern oder geschnittenen Fasern bezeichnet, die auf irgendeine Weise zu einem Vlies, nämlich einer Faserschicht, einem Faserflor, zusammengefügt und auf geeignete Weise miteinander verbunden sind. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen bekannt, um Vliese in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen herzustellen. Aus der Druckschrift EP 1 774 077 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Gewebes bekannt, das wenigstens eine mittels Airlayverfahren hergestellte Vliesschicht aufweist. Aus der Druckschrift DE 10 201 1 079 525 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeuges bekannt, wobei zur Herstellung Kohlenstofffasern über eine Krempeleinrichtung oder aus einem Speiser unmittelbar in eine Matrix eingebracht werden. Aus der Druckschrift DE 101 14 553 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines dicken, thermoplastisch verformbaren, faserverstärkten Halbzeugs bekannt, bei dem Verstärkungsfasern mittels eines Airlay oder Krempelverfahrens trocken miteinander zu einer endlosen Bahn vermischt werden, wobei das erhaltene Vlies durch Nadeln verfestigt wird.
Aus der Druckschrift DE 10 2004 051 334 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Strukturbauteils bekannt, wobei dieses eine formstabile Textil struktur aufweist. Ferner ist aus der Druckschrift US 2013/0108831 A1 ein Faservlies mit zufällig angeordneten Fasern bekannt, das im air-laid-Verfahren hergestellt wird. Weiter ist aus der Druckschrift DE 100 52 223 A1 ein mehrschichtiges, flexibles, kohlenstoffhaltiges Schichtpapier bekannt, das im air-laid-Verfahren hergestellt wird. Aus der Veröffentlichung von H. Fuchs, W. Albrecht„Vliesstoffe", erschienen im WILEY-VCH Verlag GmbH (Print ISBN 978-3-527-31519-2), 2. Auflage 2012, Seite 158-171 sind Vliesstoffe und deren Herstellungsverfahren offenbart, wobei unterschiedliche Anlagen zur Herstellung dieser Vliese dargestellt sind, insbesondere das air-laid-Verfahren beschrieben ist. Zusätzlich bekannt sind alternative Anwendungen für Flockenspeiser aus der Veröffentlichung Melliand Textilberichte 7-8/2001 , Seite 567-570 von S. Schlichter, B. Rübenach, Trützschler GmbH & Co. KG. Problematisch an den bisher bekannten Vliesen aus Kohlenstofffasern ist die Ungleichmäßigkeit in Bezug auf die Verteilung der Kohlenstofffasern innerhalb des Vlieses. Es bilden sich Verdickungen und Bereiche in denen deutlich zu wenig Kohlenstofffasern innerhalb eines hergestellten Vlieses vorgesehen sind. Diese Ungleichmäßigkeit in den Vliesen führt dazu, dass aus den Vliesen hergestellte Teile nicht die notwendige Stabilität über deren gesamte Struktur aufweisen und so schnell den Anforderungen nicht standhalten können. Allgemein bekannt zur Herstellung von Vliesen aus den unterschiedlichsten Ausgangsfasern sind insbesondere das Wetlayverfahren, wobei die Fasern in einem Wasserbad vorliegen und aus diesem heraus zu einem Vlies geformt werden, welches generell für die Herstellung von Kohlenstofffaservliesen Anwendung findet, als auch das Airlayverfahren, das mit Hilfe von Luft und Nadelvorrichtungen bzw. Nadel bestückten Walzen Fasern zu Vliesen
verarbeitet, was jedoch nicht auf Kohlenstofffasern anwendbar ist. Der Einsatz des Airlayverfahrens an Kohlenstofffasern führt insbesondere zu mechanischen Eingriffen an der Faser und letztendlich dadurch zu Beeinträchtigungen der Hochleistungsfaser. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen von Vliesen aufzuzeigen, die es ermöglichen, die zu verarbeitenden Fasern während der Fertigung schonend zu behandeln und insbesondere homogen sowie entsprechend etwaigen Vorgaben an ein Vlies in Vliesform abzulegen. Gelöst werden diese Aufgaben mit einem Verfahren nach Anspruch 1 , einer Anordnung nach Anspruch 7 sowie einem weiteren Verfahren nach Anspruch 13 als auch einem Faservlies nach Anspruch 15. Das Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahren aus Kohlenstofffasern bis zu einer Faserlänge von 100 mm umfasst die Schritte: I. Zuführen von Kohlenstofffasern; II. AuflösenAkämmen und aerodynamisches Vereinzeln der Kohlenstofffasern; III. aerodynamisches Beruhigen der vereinzelten Kohlenstofffasern; IV. Einleiten der beruhigten und vereinzelten Kohlenstofffasern in einen vertikal angeordneten Luftschacht, wobei das Einleiten am oberen Ende des Luftschachtes erfolgt; V. kontaktloses Durchmischen der Kohlenstofffasern innerhalb des Luftschachtes durch Luftverwirbeln mittels einer Vielzahl von einzelnen Luftströmen; VI. aerodynamisches Ablegen der Kohlenstofffasern auf eine unterhalb des Luftschachtes angeordnete bewegbare Form oder Ablegefläche, wobei das aerodynamische Ablegen durch ein Absaugen unterhalb der Form oder der Ablegefläche erfolgt. Durch das zuvor aufgezeigte Verfahren erfolgt ein kontaktloses Durchmischen und beruhigtes als auch materialschonendes Ablegen der Kohlenstofffasern auf einer Ablegefläche bzw. auf einer Form, wobei während des Durchmischens
keinerlei mechanische Eingriffe erfolgen, die die Kohlenstofffasern schädigen könnten. Innerhalb des Luftschachtes erfolgt nach dem aerodynamischen bzw. kontaktlosen Durchmischen ein gravitationsunterstütztes Rieseln der Fasern nach unten. Der erfindungsgemäße Schritt II, nämlich das Auflösen/-kämmen und aerodynamisches Vereinzeln der Kohlenstofffasern, kann ebenfalls mittels eines aerodynamischen Vereinzelungsverfahrens bzw. -anordnung realisiert werden, wobei entsprechend Luftwalzen das Auflösen/-kämmen realisieren können. Alternativ hierzu können handelsübliche Öffner verwendet werden, um die angelieferten Kohlenstofffaserbündel zu öffnen, aufzulösen bzw. aufzukämmen, um sie für das weitere Verfahren vorzuhalten. Ein traditioneller Öffner weist hierbei zwei gegenläufig rotierende Nadelwalzen auf, die im Falle von Kohlenstofffasern bevorzugt mit einem Kugelkopf an der Nadelspitze ausgebildet werden. Das kontaktlose Durchmischen der Kohlenstofffasern erfolgt innerhalb des vertikal angeordneten Luftschachtes (Schritt V.) durch Luftverwirbeln mittels einer Vielzahl von einzelnen Luftströmen, wobei die Luftströme in deren Richtung und/oder Stärke variiert und/oder eingestellt werden. Die Luftströme können hierbei durch eine Vielzahl von Einzeldüsen realisiert werden, wobei entscheidend ist, dass eine turbulente bzw. chaotische und insbesondere nicht gerichtete Strömung innerhalb des Luftschachtes ausgebildet wird. In einer besonderen Ausgestaltung werden die Luftströme durch eine oder mehrere rotierende und horizontal, insbesondere innerhalb einer oder mehrerer Ebenen angeordneten Luftwalzen erzeugt. Diese können zudem variabel eingestellt werden. Die Luftwalzen sind dabei als rotierende Druckrohre ausgebildet, an deren Umfang eine Vielzahl von Düsen oberflächlich montiert sind. Angetrieben von entsprechenden Elektromotoren werden die Luftwalzen rotiert, so dass die darauf angeordneten Düsen, die ebenfalls unterschiedliche
Abstrahlwinkel aufweisen können, die austretende Luft räumlich verteilen, so dass es innerhalb des Luftschachtes zu einer Durchmischung der Kohlenstofffasern kommt. Das Absaugen (Schritt VI.) wird in dessen Saugleistung variiert und/oder eingestellt, wodurch die Dichte des Vlieses entsprechend eingestellt bzw. variiert werden kann. Eine weitere Möglichkeit der Dichtevariation ist das Einstellen der Geschwindigkeit eines entsprechend vorgesehenen Förderbandes bzw. einer an der Rieselzone vorbei bewegten Form, so dass bei höherer Geschwindigkeit die Dichte abnimmt und bei verringerter Geschwindigkeit die Dichte der Kohlenstofffasern zunimmt. Die Form oder die Ablegefläche wird an dem unteren Austritt, der Rieselzone, des Luftschachtes vorbeigeführt, wobei das Vorbeiführen linear oder räumlich erfolgt, wobei die Oberflächensenkrechte der Form oder der Ablegefläche dem Lot des Luftschachtes abschnittsweise entspricht. Dies bedeutet, dass die rieselnden Kohlenstofffasern immer senkrecht auf der Oberfläche der Form auftreffen und sich dort entsprechend an die Oberfläche anlegen, wodurch ein Vlies erzeugt wird, das genau der Oberflächenkurve bzw. Oberflächenform der Form entspricht. Das Problem des nachträglichen Biegens eines zweidimensional erzeugten Vlieses an eine dreidimensionale Oberfläche wird hiermit gänzlich umgangen, da hier ein dreidimensionales Vlies auf der Form direkt erzeugt wird, das im Anschluss entsprechend mit Kunststoffen zu einer Kohlenstofffaserkunststoffmatrix weiterverarbeitet werden kann. Während des Aufbringens der Fasern weisen diese besonders bevorzugt eine thermische Bindefaser, beispielsweise Polyamidfasern, auf, wobei das Fasergemisch aus Kohlenstofffasern und thermischen Bindefasern unmittelbar nach dem Auflegen auf die Form durch eine Energie- bzw. Wärmequelle derart verfestigt werden, dass bei Weiterbewegung der Form ein Verändern der Lage der Fasern zueinander verhindert bzw. ausgeschlossen wird. Es erfolgt hierzu ein Anschmelzen der thermischen Bindefasern an der Oberfläche des Vlieses, so dass eine voranschreitende Einhüllende oberhalb des Vlieses erzeugt wird. Die Zusammensetzung der Fasern wird hierbei jedoch gerade nicht geändert.
Die Kohlenstofffasern werden beim Zuführen mittels eines Kreuzschnittes geschnitten. Insbesondere werden Kohlenstofffasern aus Recyclingprozessen zur Vliesherstellung genutzt, wobei diese zunächst mittels eines Kreuzschnittes auf eine vordefinierte Länge gebracht werden, so dass insgesamt nur Fasern einer maximalen Länge von beispielsweise 60 mm vorliegen. Die Kohlenstofffasern werden beim Zuführen durch thermische Bindefasern ergänzt. Die thermischen Bindefasern werden durch Energieeinbringung nach dem Aufbringen des aus Kohlenstofffasern und thermischen Bindefasern bestehenden Gemisches auf die Form oder Ablegefläche angeschmolzen. Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsanordnung für Kohlenstofffasern bis zu einer Faserlänge von 100 mm, insbesondere jedoch für Faserlängen bis 60 mm, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens weist auf: - eine Zufuhranordnung für Kohlenstofffasern sowie bedarfsweise eine Zufuhranordnung für thermische Bindefasern; - eine Auflöse-Akämmanordnung oder Faseröffner zum Aufkämmen, Vereinzeln, Lockern, Lösen und/oder Auflösen der Kohlenstofffasern; - einen Luftschacht, wobei dieser vertikal angeordnet ist und an dessen oberen Ende die Kohlenstofffasern eingebracht werden und am unteren Ende ausgegeben werden; - eine Transport- und Vereinzelungsanordnung zum Vereinzeln und Transportieren der gelösten Kohlenstofffasern von der Auflöse-/ -kämmanordnung oder dem Faseröffner zu dem Luftschacht, aufweisend: - ein Rohrleitungssystem; - einen Ansatzbereich des Rohrleitungssystems an die Auflöse-/ -kämmanordnung oder den Faseröffner; - einen Transportventilator innerhalb des Rohrleitungssystems zum Transport der Kohlenstofffasern zum Luftschacht; - einen Beruhigungsrohrabschnitt, angeordnet nach dem Transportventilator, ausgebildet als Lochrohr und - einen Einleitungsabschnitt zum Einleiten der Kohlenstofffasern in den Luftschacht; - ein am unteren Ende des Luftschachtes angeordnete gelochte
Ablegefläche, insbesondere ein Förderband, oder ein mit den Kohlenstofffasern in Form eines Vlieses zu belegende dreidimensionale Form; - eine unterhalb der Form oder der Ablegefläche vorgesehene Absaugung und - ein im Luftschacht angeordnetes aerodynamisches Durchmischsystem zur Durchmischung der Kohlenstofffasern. Mittels der zuvor aufgezeigten Anordnung ist es zum einen möglich die zuvor genannten Verfahren bzw. Verfahrensabschnitte derart zu realisieren, dass ein kontaktloses und ohne mechanischen Eingriff Durchmischen der Kohlenstofffasern im Bereich der Rieselzone, nämlich innerhalb des Luftschachtes erfolgt. Das aerodynamische Durchmischsystem weist eine Vielzahl von Luftdüsen auf, die eine Vielzahl von Luftströmen generieren, wobei die Luftströme in deren Richtung und/oder Stärke variabel und/oder einstellbar sind. Die Luftdüsen können hierzu konisch als auch gerade ausgebildet und insbesondere in deren Ausrichtung bzw. Strahlrichtung unterschiedlich angeordnet sein. Zudem kann die Strahlbreite von Düse zu Düse variieren. Es erfolgt insbesondere in einer bevorzugten Ausführung kein Ineinandergreifen der Luftströme, so dass die Luftverwirbelung bzw. Luftströmung innerhalb des Luftschachtes zwar ein sehr gutes Durchmischen der Fasern bewirkt, jedoch nicht deren Rieseln nach unten unterbindet. In Bezug auf das aerodynamische Durchmischsystem gibt es hierzu eine Vielzahl von möglichen Sprühformen um einen optimalen Wirbel innerhalb des Luftschachtes zu generieren, so dass die Fasern optimal durchmischt werden und gleichmäßig, insbesondere mit gleichmäßiger Konzentration nach unten rieseln. Die Fasern werden durch das aerodynamische Durch misch System von verschiedenen Seiten angeblasen und verwirbelt. Die Ablegefläche ist perforiert ausgebildet, wobei unterhalb der Ablegefläche eine Absaugvorrichtung, beispielsweise ein Transportventilator vorgesehen ist, der die rieselnden und vereinzelten Kohlenstofffasern quasi auf die Ablegefläche
aufsaugt. Selbstverständlich erfolgt das Aufsaugen der Fasern lediglich auf einen definierten Bereich unterhalb der Rieselzone. Die Luftdüsen werden um eine oder mehrere Achsen rotieren und/oder verschwenkt und/oder in deren Düsenauslass unterschiedlich ausgebildet sind. Die Luftdüsen sind auf horizontal angeordneten und rotierenden Walzen angeordnet. Die Luftdüsen bilden insbesondere angeordnet auf den rotierenden Walzen erfindungsgemäße Luftwalzen, die mittels auf der Außenseite des Luftschachtes angeordneten Motoren, insbesondere Elektromotoren rotiert werden. Eine besondere Ausgestaltung der Luftwalzen ist gegeben, wenn die Luftdüsen lediglich in den oberen Bereich hin abstrahlen können, wobei dies beispielsweise dadurch realisiert wird, dass innerhalb der rotierenden Walzen, einem Hohlrohr, nahezu halbrund ausgebildete Bleche angeordnet sind, die beim Rotieren der Luftwalzen eine Luftströmung in die auf den rotierenden Walzen angeordneten Düsen verhindern, in dem sie den Zugang zu den angeordneten Düsen verschließen. Auf diese Weise erfolgt die erzeugte Luftströmung lediglich in Richtung des oberen Teils des Luftschachtes. Unterhalb der Luftwalzen ist somit ein ungehindertes Rieseln der Fasern auf die Form bzw. Ablegefläche bzw. das Förderband möglich. Als weitere besondere Ausgestaltung der Luftwalzen ist deren vollständige Rotation zu nennen, wobei über deren vollständigen Rotationsbereich in alle Richtungen Luft abgestrahlt wird. Hierbei kann die Luft mit niedrigen Geschwindigkeiten aus den Düsen austreten, gleichwohl aufgrund der Vielzahl von angeordneten Düsen zu einer optimalen Verwirbelung führen. Der Ansatzbereich und/oder der Rohrleitungsbereich weist im Innenbereich Rillen und/oder Leitbleche auf, die eine zirkuläre Bewegung der Kohlenstofffasern bewirken. Durch die geschickte Anordnung des Ansatzbereiches des Rohrleitungssystems an den Öffner bzw. die Auflöse- und -kämmanordnung, nämlich das seitliche Abführen der geöffneten Fasern von der Auflöse-/ -kämmanordnung in ein Rohrleitungssystem erfolgt ein Transport der aufgrund
der Luftverwirbelungen die Fasern freier, nämlich airborne macht. Dies erfolgt insbesondere durch eine drehende Strömung, die durch Rillen in der Rohrwandung zustande kommen. In dem Beruhigungsrohrabschnitt, der nach dem Transportventilator im Weiteren angeordnet ist, erfolgt das Beruhigen der Fasern, so dass deren kinetische Energie erheblich reduziert wird. Der Beruhigungsrohrabschnitt ist als umhülltes Lochrohr ausgebildet und mündet in einem Einleitungsabschnitt, der beispielsweise aus einem runden Transportrohr in eine rechteckige Öffnung innerhalb des Luftschachtes auffächert und so die beruhigten Fasern in den Luftschacht einleitet. Innerhalb des Luftschachtes erfolgt eine entsprechende aerodynamische Durchmischung, so dass die Fasern am unteren Teil des Luftschachtes frei nach unten rieseln können. Innerhalb des Luftschachtes kann eine im unteren Teil angeordnete Luftwalzeneinheit vorgesehen sein, wobei hierzu zwei oder mehr Luftwalzen parallel zueinander angeordnet sind. In einer besonderen Ausgestaltung werden fünf Luftwalzen nebeneinander angeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung kann in einer weiteren Ebene, oberhalb der ersten Luftwalzeneinheit, die sich nahe des unteren Abschnittes des Luftschachtes befindet, eine zweite und/oder eine dritte Luftwalzeneinheit vorgesehen sein, wobei hier jeweils zumindest eine oder mehr Luftwalzen vorgesehen bzw. parallel zueinander angeordnet sind. Die Vorstufen dienen dem Vormischen der Fasern. Weiter können Leitbleche innerhalb des Luftschachtes angeordnet werden, die zuerst zu einer Konzentration der Fasern in einem Bereich führen, und die Fasern dann durch die angeordneten Luftwalzen besser verteilt werden. Ferner können in einem weiteren Ausführungsbeispiel sich drehende oder auch stationär angeordnete Düsen mit gleichen bzw. vorteilhafterweise unterschiedlich ausgebildeten Strahleigenschaften an der Innenwandung des Luftschachtes
angeordnet sein, um die Durchmischung ohne mechanisches Eingreifen weiter zu optimieren. Zur Bewegung der Form unterhalb des Luftschachtes ist eine Roboterarmanordnung vorgesehen, wobei die Roboterarmanordnung eine dreidimensionale Bewegung der Form unterhalb des Luftschachtes erlaubt. Eine Wärmequelle ist am unteren Ende des Luftschachtes angeordnet, so dass die thermischen Bindefasern nach dem Aufbringen auf die Form oder die Ablegefläche erwärmt werden können, um so die Oberfläche des Vlieses zu verfestigen. Derartige Wärmequellen können beispielsweise Infrarot-Strahler als auch Mikrowellen-Strahler sein. In einer Ausgestaltung können die Kohlenstofffasern als auch die thermischen Bindefasern getrennt voneinander auf die Ablegefläche aufgebracht werden, wobei zunächst die Kohlenstofffasern und in Transportrichtung des Förderbandes folgend die thermischen Bindefasern aufgerieselt werden. Hierbei ist es auch möglich, dass die thermischen Bindefasern über herkömmliche Nagelwalzen homogenisiert in einem Luftschacht zur Verfügung gestellt und auf die Oberfläche gerieselt werden. Eine weitere besondere Ausgestaltung in Bezug auf die Erfindung ist gegeben, wenn ein Verfahren zum Herstellen eines Vlieses für ein dreidimensionales Bauteil, den Verfahrensschritt aufweist, dass eine Form des herzustellenden dreidimensionalen Bauteils an einer Faserausgabe, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, vorbeigeführt wird, wobei die Fasern aus der Faserausgabe am Auftreffort der Form in Richtung der Flächennormale aufgebracht werden. Hierbei ist gewährleistet, dass die herunterrieselnden Fasern ein Vlies auf der Oberfläche der Form ausbilden, das entsprechend der Formgebung der Form exakt folgt, wobei keine Spannungen der Fasern durch beispielsweise Knicken, Biegen oder dergleichen auftreten, die üblicherweise beim Verlegen eines zweidimensional hergestellten Vlieses auf einer gekrümmten Form auftreten. Üblicherweise werden entsprechende dreidimensional ausgebildete Formen mit einem zweidimensional hergestellten Vlies belegt und anschließend mit einem Kunststoff zu einer
Faserkunststoffmatrix verarbeitet. Derartige Bauteile können beispielsweise der Fußboden eines Kfz's oder Klappen von Gepäckfächern in Flugzeugen sein, wobei diese Aufzählung nur exemplarisch zu werten ist. Da die Fasern während des Legens zu einem Vlies exakt der Form angepasst werden, erfolgt auf diese Weise die Herstellung eines nahezu spannungsfreien Bauteils. Die Geschwindigkeit der Bewegung der Form und/oder eine Absaugung unterhalb der Form werden variiert. Hierdurch wird die Dichte des Vlieses einstellbar. Bei höherer Absaugung erhöht sich der Materialstrom an Fasern in der Rieselzone, so dass die Dichte des Vlieses erhöht wird. Bei schnellerer Bewegung der Form wird die Dichte lokal reduziert, da weniger Fasern pro Zeit auf die Form rieseln können. Ebenso ist es möglich während des Vorbeiführens der Form unterhalb der Rieselzone lediglich spezielle Abschnitte der Form abzusaugen, um so die Fasern an definierten Stellen der Form anheften zu lassen. Weiter können einzelne Abschnitte der Form stärker abgesaugt werden, um punktuelle Abschnitt des Vlieses mit einer höheren Dichte an Kohlenstofffasern zu versehen. Die wichtigsten Aspekte dieser Erfindung lassen sich zusammenfassen in: - schonende Behandlung der Fasern innerhalb der Rieselzone bei gleichzeitiger homogener Durchmischung, - Verhinderung von Faserbrüchen, - Herstellung eines homogenen isotropen Wrrvlieses. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Darin zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eines zweidimensionalen Vlieses;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eines zweidimensionalen Vlieses; Fig. 3 eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels des Luftschachtes in einer Seitenansicht; Fig. 4 eine Detaildarstellung des Lüftungsschachtes gemäß Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 3 in einer schematischen Frontansicht; Fig. 5 eine Detaildarstellung des Lüftungsschachtes gemäß Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 3 sowie Fig. 4 in einer schematischen Draufsicht; eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eines zweidimensionalen Vlieses und Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eines dreidimensionalen Vlieses. In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eines zweidimensionalen Vlieses 5 dargestellt, wobei das Vlies oberflächlich angeschmolzene thermische Bindefasern 51 aufweist. Die Anordnung weist einen Luftschacht 1 mit einem unteren Ende 1 1 und einem oberen Ende 12 auf. Innerhalb des Luftschachtes 1 sind Luftwalzen mit Luftdüsen bestückt 14, die entsprechend R rotieren. Das Rotieren der Luftwalzen 14 erfolgt hierbei durch nicht dargestellte, auf der Außenseite des Luftschachtes 1 angeordnete Elektromotoren. Am oberen Ende des Luftschachtes im Bereich des Einlasses 43 befindet sich eine Einlass- Schwenkdüsen-Verteileranordnung 121 , die dem besseren Einlass sowie der
besseren Führung in den Luftschacht 1 dient. In den Seitenwänden des Luftschachtes 1 sind Schacht-Schwenkdüsen-Verteiler 122 vorgesehen, die ebenfalls mit Druckluft eine bessere Faserverteilung bewirken. Die Schwenkdüsen- Verteiler 121 , 122 sind hierbei automatisch schwenkend angeordnet. Weiter ist am unteren Ende 11 des Luftschachtes eine Wärmequelle 15 vorgesehen, die als Infrarot-Strahler, Mikrowellen-Strahler oder dergleichen ausgebildet sein kann. Unterhalb des Luftschachtes 1 , der dem Rieseln von vereinzelten Fasern, nämlich Kohlenstofffasern als Hauptbestandteil dient, ist eine Ablegefläche 2 in Form eines Ablegeförderbandes 21 ausgebildet, wobei das Ablegeförderband gelocht ausgebildet ist und eine Absaugung zum Absaugen von Luft bzw. Aufsaugen der Fasern auf das gelocht ausgebildete Ablegeförderband 21 aufweist. Im Anschluss an das Ablegeförderband 21 ist ein Vliesabtransportförderband 22 vorgesehen. Ferner weist die Anordnung einen Öffner 3, hier dargestellt als klassischer Öffner mit zwei gegenläufig rotierenden Nadelwalzen, auf. Der Öffner 3 wird bedient von einem Vorrat Kohlenstofffasern 31 , insbesondere aus Recyclat- Kohlenstoff kurzfasern. Die Kohlenstofffasern werden hierbei durch eine Fördereinrichtung 312 zum Öffner 3 transportiert. Weiter ist parallel hierzu ein Vorrat für thermische Bindefasern 32, beispielsweise Polyamidfasern vorgesehen, die über eine Fördereinrichtung 322 zum Öffner 3 gefördert werden. Die Anordnung weist weiter ein Rohrleitungssystem 4 auf, mit dessen Hilfe die geöffneten Fasern aus dem Öffner 3 zum Luftschacht 1 gefördert werden. Das Rohrleitungssystem 4 umfasst hierbei neben den Transportrohren, die als Wickelfalzrohre ausgebildet sind, einen Transportventilator 41 , einen Beruhigungsrohrabschnitt 42, wobei dieser als Lochblech mit einer Absaugummantelung ausgebildet ist, sowie einen Einleitungsabschnitt 43 auf,
wobei der Einleitungsabschnitt 43 den Übergang von einem Rundrohr auf einen eckigen Einleitungsbereich am oberen Ende 12 des Luftschachtes 1 bildet. Nachfolgend wird anhand dieser Figur der Ablauf der Vliesherstellung näher erläutert: Zunächst werden thermische Bindefasern sowie Kohlenstofffasern entsprechend der Transportrichtung XTF und XCF von dem jeweiligen Vorrat 31 , 32 über Fördereinrichtungen 312, 322 zu dem Öffner 3 transportiert. In dem Öffner 3 erfolgt das Öffnen der Fasern in traditioneller Weise durch gegenläufig rotierende Nadelwalzen. In einer speziellen Ausgestaltung weisen die Nadelwalzen einen runden bzw. halbkugelförmigen Kopfbereich auf. Nach dem Öffnen werden die Fasern in geschickter Art und Weise in das Rohrleitungssystem 4 derart seitlich eingeleitet, dass die Fasern in Transportrichtung X0 (in die Zeichnungsebene hinein) durch das Rohrleitungssystem 4 mit einer Zirkulation parallel zum Öffner 3 transportiert werden, wodurch die vereinzelten bzw. geöffneten Fasern sich frei weiter bewegen können. Zum Transport in Transportrichtung XF der Fasern mit einem Zirkularanteil innerhalb des Rohrleitungssystems 4 ist der Transportventilator 41 vorgesehen. Zur Beruhigung der Fasern ist der Beruhigungsrohrabschnitt 42 im Weiteren vorgesehen, wobei die Luft durch die Bohrungen des Lochblechrohres heraustritt. Hierbei kann die Luft auch über ein das Lochblechrohr umhüllendes weiteres geschlossenes Rohrelement ergänzend abgesaugt werden. Nach dem Beruhigen der Fasern erfolgt das Einbringen der Fasern in dem Luftschacht 1 über den Einleitungsabschnitt 43. Innerhalb des Luftschachtes 1 rieseln die Fasern nunmehr bedingt durch die Gravitation als auch durch die Absaugung unterhalb des Ablegeförderbandes 21 nach unten. Hierbei werden die Fasern ausschließlich kontaktlos mittels eines aerodynamischen Luftmischsystems, nämlich einer Anordnung von fünf
Luftwalzen 14, die im unteren Bereich des Luftschachtes 1 angeordnet sind, durchmischt. Nach dem aerodynamischen und kontaktlosen Durchmischen der Fasern rieseln diese nach dem Durchqueren der Luftwalzen 14 auf das Ablegeförderband 21 , wobei das durch die entsprechende Absaugung unterhalb des Ablegeförderbandes 21 verstärkt wird. Das Ablegeförderband 21 bewegt sich kontinuierlich weiter, so dass zunächst ein Vlies 5 entsteht. Das Vlies 5, umfassend Kohlenstofffasern und thermische Bindefasern, vorliegend in einer homogenen Mischung, wird an einer Wärmequelle 15 vorbeigeführt, wo das Vlies oberflächlich durch das Anschmelzen der thermischen Bindefasern 51 verfestigt wird. Im Weiteren erfolgt die Übergabe des Vlieses 51 an das Vliesabtransportförderband 22. Im nachfolgenden werden für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet, zu deren prinzipieller Funktion auf die vorherigen Ausführungen verwiesen wird. In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eines zweidimensionalen Vlieses 5, ausschließlich bestehend aus Kohlenstofffasern, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden ausschließlich Kohlenstofffasern dem Öffner 3 zugeführt und entsprechend dem Luftschacht 1 zugeleitet. Der Luftschacht 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Ebenen von Luftwalzen 14, 16 auf, die jeweils horizontal im Luftschacht 1 angeordnet sind. Die obere Luftwalzenebene 16 bewirkt zunächst ein Vormischen der beruhigten Fasern innerhalb des Luftschachtes 1 und führt diese bereits relativ homogen der unteren Luftwalzenanordnung 14 zu. Das Entscheidende, was sämtliche Ausführungsformen dieser Anmeldung betrifft, ist das kontaktlose Handhaben der Kohlenstofffasern innerhalb des
Luftschachtes 1 mit Hilfe der Luftwalzen 14, 16, 19 beziehungsweise Luftdüsen 121 , 122. Zeichnerisch dargestellt ist bei den Luftwalzen 14, 16, 19 immer die rotierende Luftwalze an sich sowie die austretenden Luftströmungen, die aus den Düsen, angeordnet auf den rotierenden Luftwalzen, heraustreten. Nach dem Rieseln der Kohlenstofffasern auf das Ablegeförderband 21 , unterstützt durch das Absaugen wird das erzeugte homogene Vlies 5 in Transportrichtung Xv bewegt und dem Vliesabtransportförderband 22 übergeben. In Fig. 3 ist eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels des Luftschachtes 1 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Luftschacht 1 weist erneut zwei Ebenen an Luftwalzen 14 und 16 auf, wobei in diesem Ausführungsbeispiel jeweils drei horizontal angeordnete Luftwalzen nebeneinander angeordnet sind, die durch Luftleitbleche 17 am Rande des Luftschachtes 1 zusätzlich unterstützt werden, so dass die Rieselung der Kohlenstofffasern konzentrierter erfolgt. In Fig. 4 ist eine Detaildarstellung des Lüftungsschachtes 1 gemäß Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 3 in einer schematischen Frontansicht dargestellt. Hierbei sind die unterschiedlich ausgestalteten Düsen auf den Luftwalzen 14, 16 zu erkennen. Die Düsen auf den Luftwalzen 14, 16 sind nur exemplarisch nahe der Oberseite angeordnet, befinden sich jedoch in einer bevorzugten Ausführungsform allseitig umlaufend auf der Oberfläche der Luftwalzen 14, 16, so dass eine Durchmischung im gesamten Luftschacht 1 erfolgen kann. In Fig. 5 ist eine Detaildarstellung des Lüftungsschachtes 1 gemäß Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 3 sowie Fig. 4 in einer schematischen Draufsicht dargestellt. In Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eines zweidimensionalen Vlieses 5 dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Kohlenstofffasern mittels der erfindungsgemäßen Anordnung, analog zu Fig. 2, auf das Ablegeförderband 21 aufgerieselt. Hierbei erfolgt das Durchmischen innerhalb des Luftschachtes 1 mittels der Luftwalzen 14 bzw. entsprechend angeordneten Düsen. Die thermischen Bindefasern werden im Anschluss an das Aufbringen der Kohlenstofffasern über einen separaten Luftschacht zugeführt, wobei in diesem Luftschacht die thermischen Bindefasern über im Stand der Technik bekannte Nadelwalzen homogenisiert und vermischt werden. Im Anschluss werden die geschichteten Fasern, nämlich im unteren Bereich die Kohlenstofffasern und darüber die thermischen Bindefasern einer Wärmequelle 15 zugeführt, die die thermischen Bindefasern anschmilzt, so dass ein Kohlenstoffvlies 5 mit einer nahezu festen Oberfläche aus angeschmolzenen thermischen Bindefasern 51 ausgebildet wird. In Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung zur Herstellung eines dreidimensionalen Vlieses dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird erneut das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 generell aufgenommen, wobei Kohlenstofffasern und thermische Bindefasern zusammen im Luftschacht 1 homogenisiert durchmischt auf eine Ablegefläche 2 gerieselt werden. Innerhalb des Luftschachtes 1 sind nunmehr drei Luftwalzenebenen 14, 16, 19 vorgesehen, die jeweils unterschiedlich ausgebildet sind. Es erfolgt jeweils eine verbesserte Vereinzelung und Durchmischung der Fasern, die dann letztendlich auf eine zu belegende dreidimensionale Form 23 aufgerieselt werden. Die dreidimensionale zu belegende Form 23 ist an einem Mehrachsenroboterarm 24 angeordnet, so dass die Form beginnend an einer Seite an der Rieselzone des Luftschachtes 1 vorbeigeführt wird. Hierbei wird die Form 23 derart mit Hilfe des Roboterarmes 24, der beispielsweise über eine entsprechende softwareprogrammierbare Steuerung angesteuert wird, vorbeigeführt, dass die
rieselnden Fasern senkrecht auf jeder Stelle der dreidimensionalen Form 23 aufgerieselt werden. Damit die aufgerieselten Fasern beim Weiterbewegen der Form 23 mittels des Roboterarmes 24 nicht weiter verrutschen oder gar herunterfallen, erfolgt mittels der Wärmequelle 15 ein Anschmelzen der thermischen Bindefasern an der Oberfläche, so dass ein Vlies 51 auf der dreidimensionalen Form 23 entsteht. Alle hergestellten Vliese 5, 51 können mit entsprechenden Weiterverarbeitungsverfahren weiter prozessiert werden, so dass beispielsweise Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffbauteile entstehen.
Bezugszeichenliste I Luftschacht I I unteres Ende 12 oberes Ende 121 Einlass-Schwenkdüsen-Verteiler 122 Schacht-Schwenkdüsen- Verteiler 13 Überdruckauslass 14 Luftwalzen mit Luftdüsen bestückt / Luftdüsen 15 Wärmequelle / Infrarotstrahler / Mikrowellenstrahler 16 zweite Reihe Luftwalzen mit Luftdüsen bestückt 17 Luftleitbleche 18 Luftschacht mit Nägelwalzen 19 dritte Reihe Luftwalzen mit Luftdüsen bestückt 2 Ablegefläche 21 Ablege-Förderband mit Absaugung 22 Vliesabtransportförderband 23 zu belegende Form 24 Roboterarm 3 Öffner 31 Vorrat Kohlenstofffasern / Recyclat-Kohlenstoffkurzfasern 312 Fördereinrichtung Kohlenstofffasern 32 Vorrat thermische Bindefaser / Polyamidfasern 322 Fördereinrichtung thermische Bindefasern 4 Rohrleitungssystem 41 Transportventilator 42 Beruhigungsrohrabschnitt / Lochblech 43 Einleitungsabschnitt 5 Vlies 51 Vlies mit oberflächlich angeschmolzenen thermischen Bindefasern
R Rotation der Luftwalzen XB Transportrichtung beruhigte Fasern XCF Transportrichtung Kohlenstofffasern von Vorrat zu Öffner XTF Transportrichtung thermische Bindefasern von Vorrat zu Öffner Xo Transportrichtung der Fasern nach dem Öffner (parallel zum Öffner und zirkuläre Bewegung) XF Transportrichtung Fasern (mit Zirkularanteil) Xv Transportrichtung Ablegetransportband mit Vlies XL Haupt-Transportrichtung der Kohlenstofffasern / thermischen Bindefasern innerhalb des Luftschachtes
The invention relates to an entangled carbon-fiber nonwoven production method for producing an entangled carbon-fiber nonwoven from carbon fibers up to a fiber length of 100 mm, comprising the following steps: supplying carbon fibers; loosening/combing apart and aerodynamically isolating the carbon fibers; aerodynamically calming the isolated carbon fibers; introducing the calmed and isolated carbon fibers into a vertically arranged air shaft (1), wherein the carbon fibers are introduced at the upper end (12) of the air shaft (1); mixing the carbon fibers within the air shaft (1) in a contactless manner by air whirling by means of a plurality of individual air flows; aerodynamically depositing the carbon fibers onto a moving mold or deposit surface (2) arranged below the air shaft (1), wherein the aerodynamic deposition is performed by means of suctioning below the mold or the deposit surface (2), wherein the air flows are varied and/or adjusted in the direction and/or intensity thereof and the air flows are produced and varied by means of one or more rotating and horizontally arranged air nozzles (14). The invention further relates to an entangled carbon-fiber nonwoven production assembly, to a three-dimensional-component nonwoven production method, and to a nonwoven fabric. P A T E N T A N S P R Ü C H E Kohlenstofffaser- Wirrvliesherstellungsverfahren aus Kohlenstofffasern bis zu einer Faserlänge von 100 mm, umfassend die Schritte: I. Zuführen von Kohlenstofffasern; II. AuflösenAkämmen und aerodynamisches Vereinzeln der Kohlenstofffasern; III. aerodynamisches Beruhigen der vereinzelten Kohlenstofffasern; IV. Einleiten der beruhigten und vereinzelten Kohlenstofffasern in einen vertikal angeordneten Luftschacht (1), wobei das Einleiten am oberen Ende (12) des Luftschachtes (1) erfolgt; V. kontaktloses Durchmischen der Kohlenstofffasern innerhalb des Luftschachtes (1) durch Luftverwirbeln mittels einer Vielzahl von einzelnen Luftströmen; VI. aerodynamisches Ablegen der Kohlenstofffasern auf eine unterhalb des Luftschachtes (1) angeordnete sich bewegende Form oder Ablegefläche (2), wobei das aerodynamische Ablegen durch ein Absaugen unterhalb der Form oder der Ablegefläche (2) erfolgt, wobei die Luftströme in deren Richtung und/oder Stärke variiert und/oder eingestellt werden, und die Luftströme durch eine oder mehrere rotierende und horizontal angeordnete Luftdüsen (14) erzeugt und variiert werden. Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Absaugen (Schritt VI.) in dessen Saugleistung variiert und/oder eingestellt wird.
Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form oder die Ablegefläche (2) an dem unteren Austritt (1 1) des Luftschachtes (1) vorbeigeführt wird, wobei das Vorbeiführen linear oder räumlich erfolgt, wobei die Oberflächensenkrechte der Form oder der Ablegefläche (2) dem Lot des Luftschachtes (1) abschnittsweise entspricht. 4. Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern beim Zuführen mittels eines Kreuzschnittes geschnitten werden. 5. Kohlenstofffaser-Wrrvliesherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern beim Zuführen durch thermische Bindefasern ergänzt werden. Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Bindefasern durch Energieeinbringung nach dem Aufbringen des aus Kohlenstofffasern und thermischen Bindefasern bestehenden Gemisches auf die Form oder Ablegefläche (2) angeschmolzen werden.
Kohlenstofffaser- Wirrvliesherstellungsanordnung für Kohlenstofffasern bis zu einer Faserlänge von 100 mm, zur Durchführung des Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsverfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend: - eine Zufuhranordnung für Kohlenstofffasern sowie bedarfsweise eine Zufuhranordnung für thermische Bindefasern; - eine Auflöse-Akämmanordnung oder Faseröffner zum Aufkämmen, Vereinzeln, Lockern, Lösen und/oder Auflösen der Kohlenstofffasern; - einen Luftschacht (1), wobei dieser vertikal angeordnet ist und an dessen oberen Ende (12) die Kohlenstofffasern eingebracht werden und am unteren Ende (1 1) ausgegeben werden; - eine Transport- und Vereinzelungsanordnung zum Vereinzeln und Transportieren der gelösten Kohlenstofffasern von der Auflöse-/ -kämmanordnung oder dem Faseröffner zu dem Luftschacht (1), aufweisend: - ein Rohrleitungssystem (4); - einen Ansatzbereich des Rohrleitungssystems (4) an die Auflöse-/ -kämmanordnung oder den Faseröffner; - einen Transportventilator (41) innerhalb des Rohrleitungssystems (4) zum Transport der Kohlenstofffasern zum Luftschacht (1); - einen Beruhigungsrohrabschnitt (42), angeordnet nach dem Transportventilator (41), ausgebildet als Lochrohr und - einen Einleitungsabschnitt (43) zum Einleiten der Kohlenstofffasern in den Luftschacht (1); - ein am unteren Ende (11) des Luftschachtes (1) angeordnete gelochte Ablegefläche (2), insbesondere ein Förderband, oder ein mit den Kohlenstofffasern in Form eines Vlieses zu belegende dreidimensionale Form; - eine unterhalb der Form oder der Ablegefläche (2) vorgesehene Absaugung (21) und - ein im Luftschacht (1) angeordnetes aerodynamisches Durchmischsystem zur Durchmischung der Kohlenstofffasern, wobei
das aerodynamische Durchmischsystem eine Vielzahl von Luftdüsen (14) aufweist, die eine Vielzahl von Luftströmen generieren, wobei die Luftströme in deren Richtung und/oder Stärke variabel und/oder einstellbar sind. Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdüsen (14) um eine oder mehrere Achsen rotieren und/oder verschwenkt werden und/oder in deren Düsenauslass unterschiedlich ausgebildet sind. Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Luftdüsen (14) auf horizontal angeordneten und rotierenden Walzen angeordnet sind. Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatzbereich und/oder der Rohrleitungsbereich im Innenbereich Rillen und/oder Leitbleche aufweist, die eine zirkuläre Bewegung der Kohlenstofffasern bewirken. Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Bewegung der Form unterhalb des Luftschachtes (1) eine Roboterarmanordnung vorgesehen ist, wobei die Roboterarmanordnung eine dreidimensionale Bewegung der Form unterhalb des Luftschachtes (1) erlaubt.
Kohlenstofffaser-Wirrvliesherstellungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle (15) am unteren Ende (1 1) des Luftschachtes (1) angeordnet ist, so dass die thermischen Bindefasern nach dem Aufbringen auf die Form oder die Ablegefläche (2) erwärmt werden können. Dreidimensionalbauteil-Vliesherstellungsverfahren zum Herstellen eines Vlieses für ein dreidimensionales Bauteil mit einer Kohlenstofffaser- Wirrvliesherstellungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form des herzustellenden dreidimensionalen Bauteils an einer Faserausgabe derart vorbeigeführt wird, dass die Fasern aus der Faserausgabe am Auftreffort der Form in Richtung der Flächennormale aufgebracht werden. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Bewegung der Form und/oder eine Absaugung unterhalb der Form variiert werden. Faservlies hergestellt nach einem Kohlenstofffaser- Wirrvliesherstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, einem Dreidimensionalbauteil-Vliesherstellungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, und/oder hergestellt mit einer Kohlenstofffaser- Wrrvliesherstellungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12.