Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Formgebungsverfahren, d.h. aus flexiblen textilen Substraten werden dreidimensionale Formkörper mit funktionsgerechter Steifigkeit durch Beschichten von in Form gebrachten Geweben hergestellt.
Die Versteifung der flexiblen textilen Substrate erfolgt durch Drahtflammspritzen und/oder Lichtbogenspritzen und/oder Hochgeschwindigkeitsspritzen (HVOF) und/oder durch Plasmasprühen. Durch unterschiedliche Auftragsdicken bzw. -mengen kann die funktionsgerechte Steifigkeit des erzeugten Formteils erzielt werden. Wesentlich ist, daß der hergestellte Formkörper mittels der üblichen Verbindungstechniken, wie z.B. Schweißen, Schrauben etc. mit anderen Formkörpern wieder verbunden werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen asbestfreien oder von anderen anorganischen faserigen Stoffen, mit Faserlängen von > 5 µm, einem Durchmesservon < 3 µm, einem Längen/Durchmesser-Verhältnis von 3:1, freien flächigen Verbundwerkstoff, d. h. einen Formkörper, der aus mindestens einer ersten Schicht aus einem textilen Gittergewebe, -geflecht, -gewirk, - gestrick oder Vlies aus Aramidfasern und/oder E-Glasfasern und/oder Siliciumdioxid-reichen Glasfasern und/oder Carbonfasern und mindestens einer auf dieser ersten Schicht aufgebrachten zweiten Schicht aus Metall und/oder Keramik besteht. Der Formkörper zeichnet sich durch eine funktionsgerechte Steifigkeit aus und kommt vorwiegend als Weichstoffkompensator, als Rauchschürze, als Feuerprallformteil (Feuerprallstein), als Formkörper zur thermischen Abschirmung in der Kraftfahrzeugindustrie, als Stoßfänger oder als tragendes Bauteil im Leichtbau zum Einsatz.
Asbest sowie sämtliche anorganische Fasern (künstliche Mineralfasern), d.h. also auch Keramikfasern innerhalb eines bestimmten Faserverteilungsspektrums mit bestimmten Faserlängen (> 5 µm Länge, Durchmesser < 3 µm, Längen/Durchmesser = 3:1) üben gesundheitsgefährdende Wirkungen aus. Insbesondere ist von Asbest die gesundheitsschädliche Wirkung schon sehr lange bekannt. Bei Keramikfasern weiß man zudem, daß diese lungengängig sind und deshalb nach der neuen EU-Gesetzgebung (vgl. 3. VO zur Änderung der GefStVO sowie TRGS 905) als K2-Gefahrstoff (Kanzerogenes Potential) eingestuft werden. Daher sollen neue Werkstoffe bzw. daraus herstellbare Verbund-Formkörper bzw. -teile möglichst ohne Verwendung der vorgenannten Fasern zur Verfügung gestellt werden. Einsatzgebiete für derartige Werkstoffe (ohne die gesundheitsgefährdenden Fasern) sind z.B. die Herstellung von Rauchgaskompensatoren, Feuerprallsteinen, Formkörpern für die Kfz-Industrie.
Als ein möglicher Ersatzwerkstoff kommen Glasfasergewebe und/oder Glasvliesstoffe in Betracht. Derartige unbeschichtete Glasfasergewebe haben aufgrund der offenporigen Struktur jedoch keinerlei Flammenumlenkungseigenschaften, sondern eher Flammenabsorptionseigenschaften. Außerdem sind solche Gewebe nicht formstabil, was zu Erosion und Abtrag bei hohen Heißluftgeschwindigkeiten führt.
In Heizkesselanlagen werden daher zur Zeit noch an der gegenüberliegenden Brennerseite sogenannte Feuerprallsteine aus anderen Materialien eingesetzt, die für die Flammenumlenkung in den nächsten Zug und damit die bessere Wärmeausnutzung der eingesetzten Energieträger verantwortlich sind.
Klassischerweise werden jedoch für diesen Einsatzzweck Produkte benötigt, die eine hohe Temperaturbeständigkeit von > 1000° C, aber auch eine umlenkende Wirkung und keine absorbierende Wirkung für offene Flammen besitzen. Darüberhinaus benötigen derartige Produkte ein hohes Maß an Isolationsfähigkeit, aber auch Formbeständigkeit.
Typischerweise bestehen derartige Produkte aus beispielsweise vakuumgeformten Keramikfaserverbundwerkstoffen. Derartige Produkte werden derzeit mit Keramikfasern hergestellt, die lungengängig sind und deshalb als K2-Gefahrstoff (Kanzerogenes Potential) eingestuft werden müssen.
Für die Herstellung von Rauchgaskompensatoren werden flexible, textile Produkte benötigt, die die entsprechende Angular-, Torsions- und Axialbewegungen von Rauchgasleitungen ausgleichen können.
Für Kompensatoren dieser Art werden nach der hier gültigen Norm DIN 18232 einerseits Produkte benötigt, die schwer entflammbar, besser aber unbrennbarsind und gleichzeitig aber eine hohe Rauchgasdichtheit sowohl bei Raumtemperatur als auch im Brandfall aufweisen.
Derartige Kompensatoren können bislang nur mit Hilfe eines aufwendigen Mehrlagenaufbaues realisiert werden. Hier wird normalerweise die hohe Temperatur (gemäß der ETK nach DIN 4102) über mehrere Lagen eines Isolationswerkstoffes abgebaut bzw. isoliert, bis entsprechende gasdichte, aber niedrigtemperaturbeständige Polymermembranen für die geringe Leckage sorgen können.
Aus der DE 38 20 922..C2 ist ein derartiger gewebeverstärkter Elastomer-Kompensator bekannt. Dieser Kompensator enthält Fluorkautschuk als Elastomer-komponente und als Verstärkung ein textiles Gittergewebe aus Aramidfaser und/oder E-Glasfaser in Kombination mit der Fluorkautschuk-Elastomer-Komponente.
Auch in der Kfz-Industrie werden für bestimmte Einsatzzwecke neue leichtere Materialien anstelle von z.B. starren Blechformteilen gesucht. Generell ist in diesem Zusammenhang festzustellen, daß jedoch ein Trend zu leistungsfähigeren Motoren, gleichzeitig aber zur einer kompakteren Bauweise erkennbar wird. Weiterhin steigt auch der Anteil elektronischer Baugruppen in Kraftfahrzeugen sprunghaft an. Diese Entwicklung wirkt sich insbesondere im Motorraum von Kraftfahrzeugen aus. Hier rücken temperaturinstabile Materialien wie Gummipuffer, Gummilager etc. und Schwingungsdämpfer immer näher an den Motorblock oder in die Nähe der Abgasanlage heran. Hier herrschen Temperaturen, die in einigen Fällen über 1000° C liegen können. Um die spürbare Alterung oder Zerstörung dieser temperatursensiblen Produkte zu verhindern, müssen diese Produkte vor der Hitze geschützt werden. Das Gleiche gilt für elektrische oder elektronische Komponenten, wie z.B. Kabelstränge.
Zur Zeit werden für die oben genannten Einsatzzwecke starre Blechformteile verwendet, die zu Isolationszwecken als Sandwichblech mit Isolationseinlage tiefgezogen werden. Als Kabelisolation verwendet man häufig polymerbeschichtete Glasgewebe oder kaschierte Glasgewebe.
Starre Blechformteile bieten den Vorteil, daß aufgrund der Maßgenauigkeit starrer Formteile, bewegbare Komponenten oder andere Baugruppen sicher vorbeigeführt werden können. Andererseits sind derartige Abschirmungen durch die entsprechenden Umformungsprozesse aufwendig zu fertigen und vergleichsweise schwer. Sie bieten auch aufgrund der Schwingungsverhalten das Risiko der Berührung benachbarter Komponenten und damit das Problem der Geräuschentwicklung. Bei vielen Anwendungsfällen sind aber auch zum Beispiel gerade aus schwingungstechnischer Sicht, wie z.B. Ermüdung, Vibrieren und Bruch von Blechteilen, starre Bauteile kein geeigneter Werkstoff. Hinzu kommt, daß ein späterer Revisionsfall oder eine Montage benachbarter Bauteile durch ein starres Bauteil eingeschränkt oder verhindert werden kann.
Aus dem Stand der Technik ist allerdings schon lange bekannt, bestimmte Trägermaterialien mit Schichten aus keramischem Material (oxidische oder nicht oxidische Keramikschichten) zu versehen. Weiterhin ist es bekannt, Textilien mit anhaftenden Metallauflagen zu versehen. Beispielsweise ist aus der DE-OS 26 59 625 und DE-PS 31 27 505 ein Verfahren zur Metallisierung von Textilien bekannt Bei der DE-OS 26 59 625 geht es um die Metallisierung eines abgeschnittenen Textilstückes, die mittels eines elektrochemischen Verfahrens erfolgt. Danach wird das metallisierte Textilstück zusammen mit anderen nicht-metallisierten Textilstücken gleichen Zuschnittes mit Kunstharz getränkt und zu einem Stapel zusammengepreßt, um zu vermeiden, daß die starre Metallschicht bei Biegungen brechen oder reißen könnte. Das Ganze dient vorrangig gedruckten Schaltungen. Weiterhin ist es bekannt, Verschleißschutzschichten auf glasfaserverstärkten Kunststoffwerkstoffen, wie z.B. Walzen, Rohren und Flachteilen mittels thermischem Spritzen aufzubringen.
Polymerbeschichtete textile Gewebe zeigen im Gebrauch in vielen Fällen eine mangelnde Temperaturpermanenz und das Problem der Brennbarkeit der aufgebrachten Beschichtung.
Aus dem Stand der Technik sind somit Beschichtungen bekannt, die grundsätzlich mit polymeren Binder-oder Grundsystemen durchgeführt werden. Diese bringen allerdings für bestimmte Anwendungsgebiete häufig Nachteile mit sich. Der organische Begleitstoffanteil führt zu Glühverlust, Abquahnen und Geruchsbelästigung bei Temperaturbeaufschlagung. Weiterhin ergibt sich bei Temperaturbelastung eine mangelnde Permanenz des Produkts. Diese Materialien können also grundsätzlich nicht in DIN 4102 als unbrennbar (A1) eingestuft werden.
Weiterhin ist auch die Plasmasprühbeschichtung von Geweben für den Einsatz in der Elektrotechnik bekannt. Entsprechende Verfahren und Anwendungen beschreiben US-A-4,357 387, US-A-4,713,284 und DE-U-90 12 342.
Außerdem ist es z.B. aus WO 96/03277 bekannt, Schutzkleidung aus Flächengebilden dadurch herzustellen, daß mittels einer Plasmabesprühung eine Schicht eines keramischen Materials auf ein Trägermaterial aufgebracht wird.
EP 0 331 270 A2 beschreibt ein CVD-Beschichtungsverfahren für Metalle, wobei ausschließlich die Einzelfasern beschichtet werden. Eine flächige metallische Beschichtung auf Textilien im Sinne einer Filmbildung und damit eine Versteifung der textilen Materialien ist somit nicht möglich. In EP 0 331 270 A2 wird thermisches Spritzen oder Plasmabeschichtung nicht erwähnt.
JP 05347493 A beschreibt das Herstellen eines Abschirmmaterials. Hier handelt es sich um eine Einlagerung von Pulver, welche im Anschluß daran mit dem Substrat unter Hitze verpreßt wird. Thermisches Spritzen wird in JP 05347493 A nicht erwähnt.
JP 07300768 offenbart das Beschichten eines Polybenzazolfaser-Textilerzeugnisses. Die Polybenzazolfasern sind organischen Ursprungs und zeigen eine wesentlich niedrigere Temperaturstabilität als E-Glasfasern. Darüber hinaus sind die Polybenzazolfasern zwar schwer entflammbar, aber eben nicht unbrennbar.
JP 08049026 beschreibt netzwerkähnliche Körper bzw. deren Beschichten mittels thermischem Spritzen. Kennzeichnend für die JP 08049026 ist jedoch die Verwendung von thermisch nicht stabilen Materialien, die nach dem Beschichtungsvorgang ausgebrannt werden. Als Resultat verbleibt dann das Skelett der eigentlichen Beschichtung.
JP 05202462 beschreibt Tapeten aus Kokosfasern, die zum Zwecke der Dekoration, zur EMV-Abschirmung und zur akustischen Abschirmung geeignet sind. Mit derartigen Substraten ist sicherlich keine thermische Abschirmung im Sinne von Hochtemperaturabschirmung und sicherlich keinerlei Brandabschottung gegenüber offenen Flammen machbar.
WO 97/34026 beschreibt das Beschichten vielerlei Materialien wie synthetischer Materialien, etc. mit niedrigschmelzenden Metallen mittels Lichtbogenspritzens. Eine innige Verbindung der im geschmolzenen Zustand aufgespritzten metallischen oder keramischen Partikel mit den Fasergeweben ist nicht gegeben, wie aus Fig. 2 der WO 97/34026 hervorgeht.
JP 60208467 beschreibt das Beschichten von Fasermaterialen mit Metallen, zur Herstellung eines flexiblen Materials mit hervorragender elektrischer Leitfähigkeit. Der Verfahrensablauf gemäß der JP 60208467 ist derart, daß Rohgewebe mit organischen Komponenten vorbeschichtet wird und dann eine Metallbeschichtung erfolgt. Die Artikel sind per se nicht für die Anwendung im Hochtemperaturbereich oder in Applikationen mit Einwirkung offener Flammen geeignet.
US 5,198,290 beschreibt die Herstellung von metallbeschichteten Textilerzeugnissen, die z.B. zur Abschirmung von Elektromotoren verwendet werden können. Gemäß der US 5,198,280 erfolgt der Erhalt der Steifigkeit der erzeugten Artikel ausschließlich durch die Kombination mit anderen Materialien oder durch Aufkdeben. Die in-jedem Fall vorgenommene Kombination mit organischen Komponenten macht den Einsatz als Hochtemperaturabschirmung und Brandschutz unmöglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit funktionsgerechter Steifigkeit aus flexiblen textilen Substraten zur Verfügung zu stellen. Die flexiblen textilen Substrate sollen aus als gesundheitlich unbedenklich eingestuften Fasern hergestellt werden. Diese neuen Formkörper sollen in verschiedenen Einsatzgebieten, wie der Kfz-Industrie, d.h. im Fahrzeugbau bzw. in der Robotertechnik, eingesetzt werden können und dort die bisher gebräuchliche Formteile ersetzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit funktionsgerechter Steifigkeit aus flexiblen textilen Substraten, wobei die Formkörper kraft-, Stoff- und formschlüssig mit anderen Formkörpern verbindbar sind, wobei man mittels Drahtflammspritzen und/oder Lichtbogenspritzen und/oder Hochgeschwindigkeitsspritzen (HVOF) geschmolzener, metallischer und ggfs. keramischer Partikel auf wenigstens eine textile Gittergewebebahn, ein -geflecht, -gewirk, -gestrick oder ein Vlies aus Aramidfasern und/oder E-Glasfasern und/oder Siliciumdioxid-reichen Glasfasern und/oder Carbonfasern dieses textile Substrat durchtränkt, so daß eine innige Verbindung der im geschmolzenen Zustand aufgespritzten, metallischen und ggfs. keramischen Partikel teilweise mit den Gewebefasem und teilweise unter sich eine innige Verbindung erzeugt wird und durch Einbinden der Fasern eine Formsteifigkeit erzielt wird, wobei die flexiblen, textilen Substrate aus faserigen Stoffen oder Fasern bestehen, die von Asbest oder anorganischen faserigen Stoffen mit Faserlängen mit einer Länge > 5 µm, einem Durchmesser < 3 µm und einem Länge-Zu-Durchmesser-Verhältnis von> 3:1 frei sind. Die Formkörper sind hierbei Weichstoffkompensatoren, Feuerprallformteile, Formteile zur thermischen Abschirmung in der Kraffahrzeugindustrie. Rauch- bzw. Brandschürzen, Filtereinsätze oder Stoßfänger (s. Anspruch 1).
Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern mit funktionsgerechter Steifigkeit aus flexiblen textilen Substraten gelöst, wobei die Formkörper kraft-, stoff- und formschlüssig mit anderen Formkörpern verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß man als textiles Substrat eine textile Gittergewebebahn, ein -geflecht, -gewirk-, -gestrick oder ein Vlies aus Aramidfasern und/oder E-Glasfasern und/oder Siliclumdioxid-relchen Glasfasern und/oder Carbonfasern auswählt, wobei das textile Substrat von Asbest oder anorganischen faserigen Stoffen oder Fasern mit einer Länge > 5 µm, einem Durchmesser < 3 µm und einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von >3:1 frei ist, von der Bahn einen flächigen Zuschnitt abtrennt oder ausstanzt und diesen Zuschnitt oder diese Ausstanzung mittels Drahtflammspritzen, und/oder Lichtbogenspritzen und/oder Hochgeschwindigkeitsspritzen (HVOF) geschmolzene metallische und ggfs. keramische Partikel auf wenigstens eine Oberfläche des flächigen Zuschnitts aufspritzt, so daß die im geschmolzenen Zustand aufgespritzten metallischen und ggfs. keramischen Partikel teilweise mit den Gewebefasern und teilweise unter sich eine innige Verbindung eingehen und Formsteifigkeit erzielt wird (s. Anspruch 4).
Weiterhin wird diese Aufgabe durch die Formkörper mit funktionsgerechter Steifigkeit gemäß Anspruch 10 gelöst.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.
Überraschenderweise haben die Erfinder festgestellt, daß man flexible textile Substrate in Formkörper mit funktionsgerechter Steifigkeit durch Beschichtung von in Form gebrachten Geweben überführen kann. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die im geschmolzenen Zustand aufgespritzten, metallischen und ggfs. keramischen Partikel teilweise mit den Gewebefasem und teilweise unter sich eine innige Verbindung eingehen. Hierdurch entsteht ein Schicht bzw. ein Formkörper, der relativ biegsam ist und sich daher ohne Gefahr einer Rißbildung in weiten Grenzen verformen läßt. Der hergestellte erfindungsgemäße Formkörper kann kraft-, stoff- und formschlüssig mit anderen Formkörpern durch übliche Verbindungstechniken, wie z.B. Schweißen, Schrauben, etc. verbunden werden. Dies wird dadurch erreicht, daß man partiell höhere Auflagendicken um die Verbindungsstellen herum aufbringt
Dieser erfindungsgemäße Verbundwerkstoff bzw. der Formkörper besteht aus mindestens einer ersten Schicht aus einem textilen Gittergewebe, -geflecht, -gewirk, - gestrick oder Vlies aus Aramidfasern und/oder E-Glasfasern und/oder Siliziumdioxid-reichen Glasfasern und/oder Carbonfasern und mindestens einer auf dieser ersten Schicht mittels Plasmasprühen, mittels Flammsprühen aufgebrachten zweiten Schicht aus Metall u nd/oder Keramik.
Der erfindungsgemäße flächige Verbundwerkstoff bzw. der Formkörper kann entweder ein Weichstoffkompensator, ein Feuerprallformteil, ein Formkörper für die Kfz-Industrie oder ein tragendes Bauteil im Leichtbau sein. Beispiele für Formkörper in der Kfz-Industrie sind z.B. Wärmeabschirmteile im Bereich des Motorblocks eines Kraftfahrzeuges oder Stoßfänger. Weiterhin kommen Kabelstrangisolationen und Hebelarme in der Robotertechnik als Einsatzgebiete in Betracht. Als stabilisierende Komponenten im Fahrzeugbau können ebenfalls die erfindungsgemäßen Verbundstrukturen eingesetzt werden. Durch eine partielle Aufdickung der Beschichtung können an bestimmten Stellen Schweißverbindungen oder andere Arten von Verbindungen wie Schraubverbindungen hergestellt werden. Weiterhin kann durch eine partielle Aufdickung der Beschichtung der Formkörper hinsichtlich der Steifigkeit angepaßt werden. Durch einen kontinuierlichen Übergang von Metall zu Textil wird erfindungsgemäß ein Gradientenwerkstoff mit entsprechend unterschiedlichen Eigenschaften von weich, flexibel bis steif, formbeständig geschaffen. Durch die Beschichtung von Geweben wird außerdem das Ausfransen und die Verschiebbarkeit der Glasgewebefasern verhindert.
Die erste Lage aus dem textilen Substrat kann aus ein oder mehreren Schichten bestehen. Als Material kommen hier Aramidfasern und/oder E-Glasfasern und/oder Siliziumdioxid-reiche Glasfasern und/oder Carbonfasern in Betracht. Die Siliziumdioxid-reichen Glasfasern haben einen SiO2-Gehalt von über 95 %. Daher sind Textilien aus Siliziumdioxid-reichen Glasfasern sehr temperaturstabil, d.h. bis 1100° C.
Vliesstoffe, d.h. sogenannte Nadelmatten können derzeit bis zu Dicken von 75 mm bei Dichten von < 200 kg/cm3 erzeugt werden.
Die erfindungsgemäß für als "Substrat" eingesetzten textilen Flächengebilde haben aufgrund der offenporigen Struktur keinerlei Flammenumienkungseigenschaften, sondern eher gegenteilig Flarnrnenabsorptionseigenschaften. Daher wird hier erfindungsgemäß eine Beschichtung aus Metall und/oder Keramik mittels Drahtflammsprühen, Lichtbogensprühen, aufgebracht. Die metallischen oder keramischen Partikel bestehen insbesondere aus Al, AI-Legierungen, Cu-Legierungen, Cr-Ni-Legierungen, Titan, V4-A-Stahl, Al2O3, Cr2O3, TiO2, TBC-ZrO2, ZrO2-CaO, oder gemischten Oxiden der vorgenannten Nichtmetalle. Die Beschichtung, insbesondere aus Aluminium oder hochvergütete Stähle, z.B. V4-A-Stahl oder aus Chrom-Nickel-Legierungen wirkt dabei gleichzeitig stabilisierend auf die endgültige Farm. Dies hängt allerdings von der Dicke der Metallbeschichtung ab. Diese kann im Bereich von 0,1 bis 5 mm, insbesondere 0,1 bis 1,4 mm, liegen.
Durch die Beschichtung wird die Erosion der Fasern und deren Abtrag bei den hier auftretenden hohen Heißluftgeschwindigkeiten verhindert. Weiterhin wird durch die Beschichtung eine Flammenumkehrung erzielt sowie eine Formstabilisierung erreicht.
Gemäß dem einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geht man von einer textilen Bahn als Substrat aus. Diese Bahn wurde bereits mittels des thermischen Spritzens, d.h. insbesondere mit Drahtflammspritzen und/oder Lichtbogenspritzen mit einer Schicht aus Metall wie z. B. Aluminium versehen. Aus dieser beschichteten Bahn stellt man dann einen flächigen Zuschnitt her. Dieser flächige Zuschnitt kann dann auf der Rückseite wiederum mit Metall beschichtet werden. Vorteilhaft ist es, wenn auch die Schnittkanten mit Metall beschichtet sind. Erfindungsgeäß ist es also möglich, die textile Gewebebahn kontinuierlich oder diskontinuierlich oder als Zuschnitt oder als Ausstanzung zu beschichten.
Erfindungsgemäß läßt sich somit ein Formkörper, wie z.B: ein Weichstoff-Kompensator, ein Feuerprallformteil oder ein Formteil für die Kfz-Industrie herstellen.
Erfindungsgemäß ist es somit erstmalig gelungen, die Verbindung von hochtemperaturbeständigen Glas- und Spezialglas (Kleselglas-) geweben oder Vliesen d.h. textilen Flächenprodukten mit einer anorganischen filmbildenden Beschichtung zu versehen, daß daraus ein praxisnahes Produkt, z.B: einen Hochtemperatur-Kompensator, hergestellt werden kann, und/oder daß durch die Beschichtung direkt ein Formkörper erzeugt wird.
Der erfindungsgemäße flächige Verbundwerkstoff bzw. der Formkörper kann, wie bereits oben ausgeführt wurde, ein Weichstoff-Kompensator, ein Feuerprallformteil bzw. ein Formteil zur thermischen Abschirmung in der Kfz-Industrie sein.
Durch Vakuumtiefziehen wurde ein geeignetes drapierfähiges Gewebe in eine dreidimensionale Struktur gezogen und fixiert.
Mithilfe des Verfahrens des thermischen Spritzens von z.B. Aluminium wird zunächst durch das gleichmäßige Aufbringen einer dünnen Beschichtungslage von ca. 75 g/m2 Aluminium eine Fixierung der Gewebestruktur erreicht. Durch das Beschichtungsverfahren wird gleichzeitig ermöglicht, daß örtlich eine Erhöhung der Auflagemenge realisiert werden kann. Die Verfahrensführung ermöglicht prinzipiell diese Auflagedicke bis hin zu mehreren Zentimetern aufzubauen. Dies wird ausgenützt um an, für den Formkörper statisch wichtigen Stellen eine Versteifung bis hin zur absoluten Formstabilität und Härte zu erreichen. Dies gilt auch für Positionen im Formkörper an denen eine bewegbare Komponente sicher und funktionsfähig vorbeigeführt werden muß. Gleichzeitig kann an anderen Stellen des Formkörpers eine Beschichtungsmenge gewählt werden die die Forderungen der absoluten Fasereinbindung und der thermischen Abschirmung und Dichtigkeit so erfüllt, daß aber trotzdem der textile und flexible Charakter dieses Abschnitts erhalten bleibt. Die Übergangszonen zwischen welchen, textilen, flexiblen Zonen und formgebenden und formstabilisierenden, harten Zonen des Formkörpers entspricht dabei einem kontinuierlichen Stoffübergang im Sinne eines Gradientenwerkstoffes.
Ein wichtiger Vorteil des Herstellungsverfahrens ist, daß auch die klassische Befestigungstechnik mittels Schrauben durch die örtliche Verstärkung der Schraubendurchführung soweit verstärkt werden kann, daß eine sichere Schraubbefestigung ohne zusätzliche Hilfsmittel wie Ösen realisierbar ist. Auch dies geschieht durch das gradierte Aufbringen der Beschichtungsauflage. Im Extremfall kann durch eine ausreichend hohe Metallauflage auf dem textilen Träger auch über Schweißnähte oder Punktverschweißung eine Befestigung des textilen Gradientenwerkstoffs erzielt werden.
Gradientenwerkstoffe können hierbei nicht nur in der Form erzeugt werden, daß ein Gradient hinsichtlich der Auflagemenge, sondern auch bei der Verwendung der Beschichtungswerkstoffe realisiert wird. Im konkreten Fall kann durch eine Vorbeschichtung mit einem anderen, duktileren Metall z.B. Zink, einerseits die Haftung der Beschichtung auf dem textilen Träger, andererseits die Sprödigkeit der Beschichtung beeinflußt werden um z.B. enge Radien innerhalb eines Formteiles gestalten zu können..
Üblicherweise kommen hier Vorbeschichtungen in der Auflagemenge um ca. 50 g/m2 zum Einsatz. Natürlich können diese Vorbeschichtungen auch örtlich begrenzt aufgebracht werden, um anschließend nach Bedarf mit einer entsprechenden Deckschicht z.B. Aluminium versiegelt zu werden. Somit bezieht sich der Begriff Gradientenwerkstoff nicht nur auf unterschiedliche Beschichtungsmengen sondern auch auf unterschiedliche Beschichtungsmaterialien die funktionsbezogen, kontinuierlich übergehend aufgebracht werden können.
Die Vorteile eines derartigen Formteils in der konkreten Anwendung als Abschirmteil liegen im wesentlich günstigeren Klang- bzw. akustischen Verhalten bei gleichen Wärmeabschirmeigenschaften. So sind die sonst üblichen großen Mindestabstände von klassischen Sandwichblechen von Karrosserieteilen nicht mehr essentiell einzuhalten. Dies führt zur Flexibilisierung bei der Auslegung entsprechender Abschirmteile insbesondere bei großer Raumenge. Die Gewichtsreduzierung im Vergleich zu den bisherigen Werkstoffen ist ebenfalls erheblich und kann wie im konkreten Fall 50 % betragen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Formkörper liegt darin, daß sie feuchtigkeitsundurchlässig sind.
Nicht in jedem Fall muß eine thermische Abschirmung allerdings den Charakter eines vorgeformten Bauteils haben. Oft wird allein durch die Wahl der Befestigungspunkte eine Formgebung realisiert. Derartige Lösungen wurden klassischerweise schon mit den oben beschriebenen Textilien mit polymerer Beschichtung realisiert. Derartige Produkte weisen neben den angeführten Nachteilen der mangelnden Temperaturpermanenz der Beschichtung und der Brennbarkeit auch Nachteile in der Befestigungstechnik und der Wärmeabstrahlung (IR-Emission) auf. Im konkreten Fall müssen die Schraubendurchführungen mittels Ösen gesichert werden, weil bei Temperaturbelastung die durch die Beschichtung erreichte Ausreißfestigkeit in den Befestigungspunkten durch die Zerstörung der Beschichtung vollständig verloren geht Die erfindungsgemäßen Formteile weisen temperaturpermante Beschichtungen auf und können in den Befestigungspunkten zusätzlich verstärkt werden (Gradientenbeschichtung). Sie bieten daher eine absolute Ausreißsicherheit. Der im Vergleich zu polymeren Beschichtungsystemen ca. halbierte IR-Emissionskoeffizient führt darüberhinaus zu einem ebenfalls halbierten Energieeintrag durch den Wärmestrahlungsanteil in die zu schützenden Aggregate. Bei den im Zusammenhang mit der Erfindung beschriebenen, relativ einfachen geometrischen Formen kann der erfindungsgemäße Formkörper durch eine Beschichtungsauflage von ca. 300 g/m2 als kaltverformbarer Werkstoff hergestellt werden, der durch die Verformbarkeit wiederum erleichterte Montage und Stabilität bietet.
Die Erfindung soll nun anhand der folgenden Beispiele und Figuren näher beschrieben werden, ohne diese jedoch darauf zu limitieren.
Es zeigen:
Ein leinwandbindiges Glasgewebe iso-GLAS®-Gewebe Typ 1115 wurde kontinuierlich in einer Breite von 33 cm auf beiden Seiten mit elementarem Aluminium nach der Methode des Drahtflammspritzens beschichtet.
Hierfür wurde eine Spritzpistole auf einer steuerbaren traversierenden Einrichtung montiert. Gleichzeitig wurde das Gewebe in Längsrichtung weiterbewegt.
Der Abstand vom Spritzkopf zum Gewebe beträgt 200 mm. Der erhaltende Durchmesser des Spritzkegels beträgt 20 mm mit sehr geringem overspray.
In der hier erwähnten Konfiguration ergibt sich eine Beschichtungsgeschwindigkeit von ca. 30-40 m2/h pro Seite.
Die hier gewählte Beschichtungsmenge betrug 150 g/m2 pro Seite. Insgesamt beim Fertigartikel somit ca. 300g/m2 mit einem Gesamtgewicht des Fertigartikels von ca. 1400 g/m2. Generell ist durch mehrere Beschichtungsdurchläufe eine beliebig hohe Aluminiummenge auftragbar. Konkrete Versuche auf unterschiedlichen Geweben und Vliesstoffen zeigen Beschichtungsauflagen einseitig von 500g/m2 bis hin zu ca. 1000 g/m2, was einer Schichtstärke von ca. 1,4 mm entspricht. Bei Artikeln dieser Art sinkt die Flexibilität; hier ist dann aber eine entsprechende Formstabilität erzielbar.
Bei der hier angewendeten Beschichtungsauflage von je 150 g/m2 erzielt man einerseits die temperaturunabhängige geringe Leckage (gleichbedeutend mit einer gleichbleibenden Dichtigkeit über den Anwendungstemperaturbereich). Andererseits erhält man trotz Beschichtung die notwendige Flexibilität und Beweglichkeit des Artikels.
Weiterhin steigt durch die Beschichtung die Formbeständigkeit des Gewebes; damit erzielt man aber auch eine wesentlich verbesserte Konfektionierbarkeit. Dies bedeutet insbesondere eine verbesserte Zuschnittmöglichkeit ohne Ausfransen von Kett- oder Schußfäden; gleichzeitig erhält man ansatzweise eine Versiegelung der Schnittkanten durch ein Verpressen oder Verquetschen der Schnittzone mit dem als Beschichtung aufgebrachten Aluminium.
Als Verbindungstechniken kommen hierbei sowohl klassische textile Techniken wie Nähen in Frage. Generell ist auch an eine Schweißverbindung zu denken. Erreichbar ist die letztere Möglichkeit durch gezieltes Aufbringen einergrößeren Menge Aluminium an den Überlappungsstellen oder Verbindungsstellen, so daß eine Verschweißung der Metallbeschichtung nach üblichen Verfahren des Schweißens von Aluminium möglich wird.
Hierzu wurde ein Schlauch aus Siliziumdioxid-reichen Glasfasern auf eine rotierende Metallwelle gezogen und darauf befestigt. Durch das Verfahren des thermischen Spritzens wurde zunächst auf diesen Schlauch eine gleichmäßige dünne Schicht (ca. 75 g/m2 Aluminium zur Stabilisierung des Schlauches aufgebracht. An den jeweiligen Endstücken wurde in der Folge eine wesentlich stärkere Auflage realisiert Diese betrug im konkreten Fall ca. 1,5 cm Wandstärke. Der Übergang von der dünnbeschichteten Oberfläche hin zu den Endbereichen erfolgte kontinuierlich.
Damit entsteht ein Metallverbundwerkstoff in Rohrform der im Innenteil weich, flexibel und sowohl Axial, als auch Radialbewegungen aufnehmen und ausführen kann. Die Beschichtungsauflage im Innenteil ist jedoch so gewählt, daß auch im Innenteil eine ausreichende Rauchgasdichtheit erzielt wird. Der textile Trägerschlauch dient hierbei zur Isolation der durch die heißen Rauchgase übertragenen Temperaturen und in Verbindung mit der Beschichtungsauflage zur Rauchgasabdichtung. Darüberhinaus sorgt der textile Schlauch im innigen Materialverbund von Metall und Textil für die entstehende Steifigkeit und Standfestigkeit des Gesamtteiles.
In den Randbereichen des Kompensators wurde in einem weiteren Arbeitsschritt das aufgetragene Material spanabnehmend bearbeitet (nachgedreht), so daß ein Verbindungsflansch oder eine Verbindungsmuffe entsteht.
Mit Hilfe dieses kontinuierlichen Übergangs von flexiblen, beweglichen Baugruppen zu starren und stabilen Zonen kann das Problem der Anbindung von derartigen Faserverbund- oder Gradientenwerkstoffen elegant gelöst werden.
Als Verbindungstechniken kommen sowohl geschraubte, geflanschte oder geschweißte Verbindungen in Frage.
Hierzu wurde ein Schlauch aus p-Aramidfaseen über eine rotierende Welle gezogen und in der gleichen Art und Weise beschichtet wie in Beispiel 2 beschrieben. Hier beträgt allerdings die anfänglich, gleichmäßig über die gesamte Schlauchbreite aufgebrachte Schichtstärke mehr als 400 g/m2. Im Anschluß werden die Endbereiche örtlich massiv verstärkt, so daß auch hier in einem weiteren Verarbeitungsschritt eine spanabhebende Behandlung durchgeführt werden kann.
Das Endprodukt muß auch hier wegen des kontiniuerlichen Übergangs vom Innenteil des Rohres zum Außenbereich als Gradientenwerkstoff bezeichnet werden. Durch die Faserverbundstruktur von Metall und Aramidfasern wird hier allerdings ein stabiles tragendes Leichbauteil erzeugt, dessen Verbindung zu anderen Bauteilen wiederum durch Schweißen, Flanschtechnik oder Schrauben optimal gelöst werden kann. Die Verwendung kann z.B. als Hebelarm in der Robotertechnik; als stabilisierende Komponente im Fahrzeugbau eingesetzt werden.
Als textiles Flächengebilde wurde sogenanntes isoTHERM®S-Material eingesetzt, das bis 1100° C temperaturstabil ist Es handelt sich hierbei um Siliziumdioxid-reiche Glasfasern mit einem SiO2-Gehalt von über 95 %. Vliesstoffe aus iso THERM®S, d.h. sogenannte Nadelmatten, können bis zu Dicken von 75 mm als sehr kompakte Plattenwaren erzeugt werden.
Da Vliesstoffe dieser Art aufgrund der offenporigen Struktur keinerlei Flammenumlenkungseigenschaften, sondern eher gegenteilig Flammenabsorptionseigenschaften aufweisen, kann hier nur durch geeignete geschlossene, temperaturstabile-Beschichtung eine Lösung erzielt werden.
Die Beschichtung muß hierbei gleichzeitig stabilisierend für die endgültige Form wirken; ebenfalls muß diese Beschichtung die Erosion von Fasern und deren Abtrag bei den hier auftretenden hohen Heißluftgeschwindigkeiten verhindern.
Ein oben beschriebenes Standardvlies der Dicke 45 mm und der Dichte > 200 kg/m3 wurde mechanisch in die vorgegebene Form gepreßt und gestanzt.
Das so vorliegende labile Formteil wurde nun senkrecht stehend eingespannt.
Als Trägerschicht wurde zunächst nach dem Drahflammspritzverfahren eine dünne Schicht Aluminium aufgebracht, ca. 70 g/m2. Auf die derart vorbereitete Oberfläche wurde dann nach dem Drahtflammspritzverfahren Al2O3 aufgespritzt. Die Auftragsmenge liegt im konkreten Bereich bei ca. 300-500 g/m2. Der Abstand der Spritzdüse zum Vlies liegt bei 110 mm. Die Beschichtung wird ebenfalls durch die traversierende Bewegung der Spritzpistole und die gleichzeitig horizontale Bewegung der Spritzpistole sehr gleichmäßig erzielt.
Es resultiert hieraus eine Stabilisierung des Formteils durch die relativ bruchstabile, geschlossene Keramikschicht aus Al2O3. Durch die Geschlossenheit der Oberfläche wird ein sehr gutes Flammenumlenkverhalten erreicht. Eine Abrasion oder Erosion der Fasern kann ebenfalls durch die geschlossene, temperaturstabile Schicht ausgeschlossen werden.
Die Isolationsfähigkeit des Produktes wird durch die bekannten wärmetechnischen Eigenschaften des Faservlieses ebenfalls gewährleistet.
Aus einem V4A-drahtverstärktern Glasgewebe wurden Rauchschürzen aus Mtex→ (Warenbezeichnung der Fa. Frenzelit, Deutschland für mit Metallen beschichtete technische Textilien) hergestellt.
Hierzu wurde dieses Gewebe zunächst flächig gleichmäßig, beidseitig mit einer Beschichtungsauflage von ca. 150-200g/m2 Aluminium beschichtet. Über die Gewebebreite vzw. 1 m wurde im Anschluß daran ein ca. 20mm breiter Streifen bis auf eine Enddicke von 2 mm beschichtet, damit versteift und stabilisiert. Dies wurde in einem kontiniuerlichen Verfahren, abhängig von der gewünschten Länge des Vorhanges, z.B. 2m immer wieder in dieser Art durchgeführt. Ebenso wurden die Geweberänder auf ca. 20 mm Breite bis auf eine Beschichtungsauflage von ca. 400 g/m2 verstärkt.
Das Resultat sind also endlose Bahnen die alle 2 1fm ein 20 mm breites und 2mm starkes Band aufweisen, vor dem dann geschnitten werden kann; zusätzlich weisen diese Bahnen eine Randverstärkung auf.
Auch hier wird ein Formkörper mit einer funktionsgerechten Steifigkeit erzeugt. Hierbei dient die 2 mm starke Aufdickung über die Gewebebreite zur sicheren Befestigung der Vorhänge an der oberen Welle; die Randverstärkung ermöglicht die Kombination und das Zusammenfügen von mehreren gleichartigen, abgelängten Bahnen. Die hier zur Verfügung stehenden Befestigungstechniken fallen unter die Struktur kraft-, form-, oder stoffschlüssig.
Ähnlich wie bei vorbeschriebenen Produkten gilt auch hier der Begriff des Gradientenwerkstoffs, durch den gleichmäßigen Übergang hin zu den Rand- und Querversteifungen und den grundsätzlichen Erhalt der Rollbarkeit der textilen Bahn mit dem Vorteil, daß die bekannten, bewährten Rollvorrichtungen beibehalten werden können.
Derartige Rauchschürzen dienen vzw. in Industrieanlagen und großen Hallen zur Sektionierung von großen Räumen zur besseren Abführung der im Brandfall auftretenden Rauch- und Qualmentwicklung.
Heute übliche, derartige Brandschutzvorrichtungen liegen entweder als stabile Blechkanäle vor oder als Rolladen der erst im Brandfall ausgelöst und nach unten gefahren wird. Derartige Rolladenlösungen bestehen heute vzw. aus Glasgeweben die aus Gründen der Handhabbarkeit und Konfektionierbarkeit zusätzlich polymer beschichtet sind. Damit einhergehend treten aber die bekannten Probleme wie Schwerentflammbarkeit oder gar Brennbarkeit, Qualmentwicklung der Beschichtung im Brandfall; und Probleme bei der Befestigungstechnik und der Stabilität der Befestigung unter Brandbedingungen auf.
Diese Probleme werden mit dem hier beschriebenen System vermieden. Die Befestigungsarten können temperaturstabil und unbrennbar ausgeführt werden; das Produkt ist aufgrund des durchgängig anorganischen Aufbaus als A1, als unbrennbar einzustufen.
Im vorliegenden Fall wurde ein Filtrationseinsatz für den Bereich Hochtemperaturfiltration oder Heißgasfiltration hergestellt.
Als Trägergewebe kamen im vorliegenden Fall V4A-drahtverstärkte Glasgewebe zum Einsatz.
Diese werden in Abhängigkeit von der gewünschten Porosität zunächst gleichmäßig über die gesamte Filterfläche mit Aluminium beschichtet. Als typische Auflagemenge im Bereich der Filterfläche können bei den hier verwendeten Trägergeweben 200g/m2 Aluminium angesehen werden.
Die Porösität, bzw. das Porenvolumen;und die Porengrößenverteilung kann bei diesem Verfahren über die Parameter des thermischen Spritzens, wie Spritzabstand und Auftragsmenge etc. variiert werden. Weiterhin werden diese Parameter über die Bindungsart, die Gewebedichte und die Fasermaterialien beeinflußt.
Im konkreten Fall wurde direkt im Anschluß an die gleichmäßige homogene Beschichtung der Filterfläche im Randbereich eine wesentlich höhere Beschichtungsmenge aufgetragen. Die Auftragsdicke liegt in diesem Bereich bei ca. 1,5 mm. Diese Bereiche fixieren einerseits die freie Filterfläche ähnlich wie in einem Rahmen; andererseits ermöglicht dieser Rahmen eine Befestigung durch Schrauben, Nieten; Schweißen; Löten. Der versteifte Rahmen ermöglicht weiterhin das Handling dieser Filter wie z.B. das Einschieben in entsprechende Filtergehäuse. Das entstandene Fertigprodukt hat also den Charakter eines Formkörpers mit Bereichen funktionsgerechter Steifigkeit. Diese wird durch örtlich unterschiedliche Beschichtungsauflagen erzeugt.
Auch dieser Formkörper kann als Gradientenwerkstoff bezeichnet werden. Die Gradienten können hier, wie in den vorangegangenen Beispielen bereits skizziert sowohl durch unterschiedliche Metalle erzeugt werden, als auch durch den kontinuierlichen Übergang von steifen, starren Strukturen zu weicheren, in diesem Fall durchlässigen Bereichen. Somit entstehen Gradientenwerkstoffe auch unter dem Gesichtspunkt graduell unterschiedlicher Porösität zwischen den starren Randbereichen und der Filtrationsfläche.
Die Vorteile eines derartigen Filtrationssystems für die oben beschriebenen Anwendungsbereiche liegen in der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit der notwendigen Verbindungs- und Anbindungselemente, in der Einfachheit der Montage und des Einstoffcharakters des gesamten Systems.
Durch Vakuumtiefziehen wurde ein geeignetes drapierfähiges Gewebe in eine dreidimensionale Struktur gezogen und fixiert.
Mithilfe des Verfahrens des thermischen Spritzens(Drahflammspritzen) von Aluminium wird zunächst durch das gleichmäßige Aufbringen einer dünnen Beschichtungslage von ca. 75 g/m2 Aluminium eine Fixierung der Gewebestruktur erreicht. Durch das Beschichtungsverfahren wird gleichzeitig ermöglicht, daß örtlich eine Erhöhung der Auflagemenge realisiert werden kann. Die Verfahrensführung ermöglicht prinzipiell diese Auflagedicke bis hin zu mehreren Zentimetern aufzubauen. Dies wird ausgenützt um an, für den Formkörper statisch wichtigen Stellen eine Versteifung bis hin zur absoluten Formstabilität und Härte zu erreichen. Dies gilt auch für Positionen im Formkörper an denen eine bewegbare Komponente sicher und funktionsfähig vorbeigeführt werden muß. Gleichzeitig kann an anderen Stellen des Formkörpers eine Beschichtungsmenge gewählt werden die die Forderungen der absoluten Fasereinbindung und der thermischen Abschirmung und Dichtigkeit so erfüllt, daß aber trotzdem der textile und flexible Charakter dieses Abschnitts erhalten bleibt. Die Übergangszonen zwischen weichen, textilen, flexiblen Zonen und formgebenden und formstabilisierenden, harten Zonen des Formkörpers entspricht dabei einem kontinuierlichen Stoffübergang im Sinne eines Gradientenwerkstoffes. Die Fig. 3 und 4 zeigen das hergestellte erfindungsgemäße Wärmeabschirmteil.