AT525587A1 - Method for producing a fiber laminate, a fiber laminate and a use of a fiber laminate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen eines Faserlaminats (1), wobei - eine Matrix (2) in flüssigem Zustand sowie Fasern (3) bereitgestellt werden, - die Fasern (3) in die Matrix (2) eingebettet werden, während sich die Matrix (2) im flüssigen Zustand befindet, - während eines Aushärteprozesses abgewartet wird, bis die Matrix (2) einen Gelpunkt erreicht, ab dem die Matrix (2) im Wesentlichen vom flüssigen in einen plastischen Zustand übergegangen ist, - im plastischen Zustand der Matrix (2) eine Oberflächenstruktur (10) auf die Matrix (2) samt den darin eingebetteten Fasern (3) aufgeprägt wird und - der Aushärteprozess beendet wird, wodurch das die Matrix (2) und die darin eingebetteten Fasern (3) enthaltende Faserlaminat (1) erhalten wird, das die aufgeprägte Oberflächenstruktur (10) aufweist.A method for producing a fiber laminate (1), wherein - a matrix (2) in the liquid state and fibers (3) are provided, - the fibers (3) are embedded in the matrix (2), while the matrix (2) in is in the liquid state, - during a curing process, waiting is made until the matrix (2) reaches a gel point, from which point the matrix (2) has essentially changed from the liquid to a plastic state, - a surface structure in the plastic state of the matrix (2). (10) is pressed onto the matrix (2) together with the fibers (3) embedded therein and - the curing process is terminated, whereby the fiber laminate (1) containing the matrix (2) and the fibers (3) embedded therein is obtained, the has the embossed surface structure (10).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserlaminats, ein Faserlaminat sowie eine Verwendung eines Faserlaminats bei der Fertigung von Gleitgeräten, insbesondere Skiern oder Snowboards, und/oder zur Fertigung von Windflügeln. The present invention relates to a method for producing a fiber laminate, a fiber laminate and a use of a fiber laminate in the manufacture of gliding devices, in particular skis or snowboards, and/or in the manufacture of wind blades.
Das Herstellen von Faserlaminaten, beispielsweise im Strangziehverfahren, ist an sich selbstverständlich bekannt. Dabei werden Fasern in eine Matrix eingebettet, während The production of fiber laminates, for example in the pultrusion process, is of course known per se. Fibers are embedded in a matrix while
sich die Matrix im flüssigen Zustand befindet. the matrix is in the liquid state.
Beispielsweise bei der Fertigung von Skiern werden Faserlaminate verwendet. Hierbei müssen die Faserlaminate eine Oberflächenstruktur aufweisen, weil sich sonst während des Pressvorgangs, mit dem die Skier gefertigt werden, Lufteinschlüsse bilden können. Eine Oberflächenstruktur verhindert dies, weil durch die Oberflächenstruktur eine gewisse Beabstandung von über oder unter dem Faserlaminat befindlichen Schichten fast bis zum Ende des Pressprozesses geschaffen wird. Durch die entstehenden Fiber laminates are used, for example, in the manufacture of skis. The fiber laminates must have a surface structure, otherwise air pockets can form during the pressing process used to manufacture the skis. A surface structure prevents this because the surface structure creates a certain spacing of layers located above or below the fiber laminate almost until the end of the pressing process. through the arising
Zwischenräume kann die Luft dann entweichen. The air can then escape in the gaps.
Ein weiterer positiver Effekt der Oberflächenstruktur ist eine verbesserte Haftung Another positive effect of the surface structure is improved adhesion
zwischen den Lagen. between the layers.
Die erwähnte Oberflächenstruktur des Faserlaminats wird im Stand der Technik durch Schleifen der Oberfläche des vorab hergestellten Faserlaminats erzeugt, was Nachteile mit sich bringt. Zunächst ist das Schleifen von Faserlaminat grundsätzlich unerwünscht, weil durch das Schleifen der Fasern Staub (beispielsweise Glasfaserstaub) entstehen kann, dessen Entsorgung aufgrund der Korngröße aufwändig und schwierig ist. Bei unsachgemäßer Handhabung würde der Schleifstaub außerdem eine erhebliche In the prior art, the mentioned surface structure of the fiber laminate is produced by grinding the surface of the previously produced fiber laminate, which entails disadvantages. First of all, the grinding of fiber laminate is fundamentally undesirable because the grinding of the fibers can produce dust (for example glass fiber dust), the disposal of which is complex and difficult due to the particle size. If handled improperly, the grinding dust would also cause a considerable damage
Umweltbelastung darstellen. represent environmental pollution.
Des Weiteren ist das Schleifen des vorab hergestellten Faserlaminats unerwünscht, weil dadurch mehr Material verwendet wird, als eigentlich notwendig wäre. Auch in diesem Hinblick ist das Schleifen des Faserlaminats im Hinblick auf die Furthermore, grinding the prefabricated fiber laminate is undesirable because it uses more material than is actually necessary. Also in this regard, the grinding of the fiber laminate with regard to the
Materialausnutzung und die Umweltverträglichkeit nachteilig. Material utilization and environmental compatibility disadvantageous.
Da die Fasern im Laminat außerdem nicht ideal gleichmäßig verteilt angeordnet sind und teilweise sogar übereinander angeordnet sind, werden die Fasern beim Schleifen verschieden stark angeschliffen, wodurch sich inhomogene mechanische Since the fibers in the laminate are not ideally evenly distributed and are sometimes even arranged on top of each other, the fibers are sanded to different degrees when sanding, which results in inhomogeneous mechanical
Materialeigenschaften des Laminats einstellen. Set the material properties of the laminate.
Durch das Schleifen entstehen im Laminat außerdem Mikrobrüche, die im fertigen Microfractures also occur in the laminate as a result of the sanding, which occur in the finished
Produkt zu Sollbruchstellen werden. product to predetermined breaking points.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen von Faserlaminaten und ein Faserlaminat mit einer Oberflächenstruktur bereitzustellen, wobei Material eingespart werden kann und/oder weniger schädliche Nebenprodukte, wie Schleifstaub, The object of the invention is therefore to provide a method for producing fiber laminates and a fiber laminate with a surface structure, in which material can be saved and/or less harmful by-products, such as grinding dust,
anfallen und/oder homogenere Materialeigenschaften erzielt werden. accrue and/or more homogeneous material properties can be achieved.
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, nämlich indem With regard to the manufacturing process, this object is achieved by the features of claim 1, namely by
- eine Matrix in flüssigem Zustand sowie Fasern bereitgestellt werden, - a matrix in liquid state and fibers are provided,
- die Fasern in die Matrix eingebettet werden, während sich die Matrix im flüssigen Zustand befindet, - the fibers are embedded in the matrix while the matrix is in the liquid state,
- während eines Aushärteprozesses abgewartet wird, bis die Matrix einen Gelpunkt erreicht, ab dem die Matrix im Wesentlichen vom flüssigen in einen plastischen Zustand übergegangen ist, - waiting during a curing process until the matrix reaches a gel point, after which the matrix has essentially changed from a liquid to a plastic state,
- im plastischen Zustand der Matrix eine Oberflächenstruktur auf die Matrix samt den darin eingebetteten Fasern aufgeprägt wird und - in the plastic state of the matrix, a surface structure is embossed on the matrix together with the fibers embedded therein and
- der Aushärteprozess beendet wird, wodurch das die Matrix und die darin eingebetteten Fasern enthaltende Faserlaminat erhalten wird, das die - The curing process is terminated, whereby the fiber laminate containing the matrix and the fibers embedded therein is obtained
aufgeprägte Oberflächenstruktur aufweist. has an embossed surface structure.
Hinsichtlich des Faserlaminats wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst, nämlich indem die Oberfläche des Faserlaminats eine geprägte With regard to the fiber laminate, the object is achieved by the features of claim 9, namely by the surface of the fiber laminate an embossed
Oberflächenstruktur aufweist. Has surface structure.
Das Aufprägen einer Oberflächenstruktur auf ein Faserlaminat ist nicht zu jedem Zeitpunkt sinnvoll möglich. Wird die Oberflächenstruktur zu früh während des The embossing of a surface structure on a fiber laminate is not possible at any time. If the surface structure becomes too early during the
Aushärteprozesses verändert, bleibt die Oberflächenstruktur nicht bestehen, weil die Curing process changes, the surface structure does not remain, because the
flüssige Matrix einfach wieder in den ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Ebenso wenig kann die Oberflächenstruktur aufgeprägt werden, nachdem der Aushärteprozess liquid matrix simply returns to its original state. Nor can the surface structure be embossed after the curing process
beendet ist, weil die Matrix zu diesem Zeitpunkt nicht mehr plastisch verformbar ist. has ended because the matrix is no longer plastically deformable at this point in time.
Das Aufprägen einer Oberflächenstruktur auf ein Faserlaminat geschieht gemäß der Erfindung nach dem Eintreten des Gelpunkts, aber bevor der Aushärteprozess beendet ist. Ein Grundaspekt der Erfindung ist es also, dass es möglich ist, auf die Matrix samt den darin eingebetteten Fasern eine Oberflächenstruktur aufzuprägen, wenn man auf den relativ kurzen Zeitraum wartet, in welchem die Matrix in einem plastischen Zustand According to the invention, the embossing of a surface structure onto a fiber laminate takes place after the gel point has been reached, but before the curing process has ended. A basic aspect of the invention is therefore that it is possible to impress a surface structure on the matrix together with the fibers embedded therein if one waits for the relatively short period of time in which the matrix is in a plastic state
(ab dem Gelpunkt) ist und der Aushärteprozess noch nicht beendet ist. (from the gel point) and the curing process has not yet ended.
Gemäß der Erfindung kann dadurch auf eine Nachbearbeitung, wie beispielsweise Schleifen, komplett verzichtet werden, wodurch Material eingespart werden kann und unerwünschte Nebenprodukte, wie Schleifstaub, komplett vermieden werden können. Die erfindungsgemäßen Faserlaminate können also direkt für die weitere Fertigung, According to the invention, post-processing, such as grinding, can be completely dispensed with, as a result of which material can be saved and undesired by-products, such as grinding dust, can be completely avoided. The fiber laminates according to the invention can therefore be used directly for further production,
beispielsweise von Gleitgeräten oder Windflügeln verwendet werden. be used for example by gliding devices or wind blades.
Durch den Wegfall des Schleifens verbessern sich einerseits die Arbeitsbedingungen in der Umgebung der Anlage zum Herstellen der Faserlaminate. Außerdem müssen, wie erwähnt, keinerlei Vorkehrungen zum Entsorgen des Schleifstaubs getroffen werden. On the one hand, the elimination of grinding improves the working conditions in the vicinity of the plant for manufacturing the fiber laminates. In addition, as mentioned, no precautions have to be taken to dispose of the grinding dust.
Ebenso wenig müssen abgenützte Schleifbänder gewechselt werden. Worn sanding belts also do not have to be changed.
Dadurch dass auf das Schleifen der Laminate komplett verzichtet werden kann, stellen sich außerdem homogenere Materialeigenschaften, insbesondere mechanische Eigenschaften wie Elastizität, Bruchzähigkeit sowie Widerstand gegen Delamination, ein. In konkreten Versuchen der Anmelderin konnten die mechanischen Toleranzen eines erfindungsgemäßen Faserlaminats von 15 % auf Because the laminates do not have to be sanded at all, the material properties are more homogeneous, in particular mechanical properties such as elasticity, fracture toughness and resistance to delamination. In specific tests by the applicant, the mechanical tolerances of a fiber laminate according to the invention increased by 15%
8 % reduziert werden. 8% reduced.
Ein weiterer Effekt der Erfindung liegt darin, dass die Oberflächenstruktur fast frei Another effect of the invention is that the surface structure is almost free
gewählt und dadurch an die gewünschte Anwendung angepasst werden kann. can be selected and thus adapted to the desired application.
Unter einer Oberflächenstruktur wird gemäß der Erfindung einer Struktur verstanden, die Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweist, also nicht glatt ist, und zumindest bis According to the invention, a surface structure is understood to mean a structure which has elevations and/or depressions, ie is not smooth, and at least up to
zu einem gewissen Grad der Prägestruktur eines Prägewerkzeugs entspricht. corresponds to a certain extent to the embossing structure of an embossing tool.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann das Einbetten der In particularly preferred embodiments of the invention, the embedding
Fasern in die flüssige Matrix durch ein Strangziehverfahren (Pultrusion) geschehen. Fibers in the liquid matrix happen through a pultrusion process.
Das Einbetten der Fasern in die flüssige Matrix kann auch als Imprägnieren bezeichnet Embedding the fibers in the liquid matrix can also be referred to as impregnation
werden. Die flüssige Matrix benetzt dabei bevorzugt alle Fasern. become. The liquid matrix preferentially wets all of the fibers.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen werden die Fasern im Wesentlichen unidirektional in die Matrix eingebettet, sodass sich ein Faserlaminat mit im Wesentlichen unidirektional ausgerichteten Fasern ergibt. Ausführungsformen mit nicht In particularly preferred embodiments, the fibers are embedded in the matrix in a substantially unidirectional manner, resulting in a fiber laminate with fibers aligned in a substantially unidirectional manner. Embodiments with no
unidirektionaler Ausrichtung der Fasern sind natürlich im Prinzip denkbar. unidirectional orientation of the fibers are of course conceivable in principle.
Schutz wird außerdem für die Verwendung eines Faserlaminats bei der Fertigung von Gleitgeräten, insbesondere Skiern oder Snowboards, und/oder zur Fertigung von Windflügeln begehrt. Unter Windflügeln können dabei die Flügel einer Windkraftanlage Protection is also sought for the use of a fiber laminate in the manufacture of gliding devices, particularly skis or snowboards, and/or in the manufacture of wind blades. Wind blades can be the blades of a wind turbine
verstanden werden. be understood.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen Advantageous embodiments of the invention are in the dependent claims
definiert. Are defined.
Als Matrix kann ein reaktives und/oder duroplastisches Matrixsystem verwendet A reactive and/or duroplastic matrix system can be used as the matrix
werden. become.
Das heißt, bei der Matrix kann es sich um ein Harz oder ein reaktives Polymervorprodukt handeln, das nach dem Imprägnieren der Fasern — bspw. That is, the matrix can be a resin or a reactive polymer precursor which, after impregnation of the fibers - e.g.
unterstützt durch Einfluss von Druck und/oder Temperatur — aushärtet. assisted by the influence of pressure and/or temperature — hardens.
Bei der Matrix kann es sich konkret um zumindest eines der folgenden handeln: e Ungesättigte Polyesterharze e Vinylesterharze Specifically, the matrix can be at least one of the following: e unsaturated polyester resins e vinyl ester resins
e Diallylphthalatharze e diallyl phthalate resins
e Methyl-Methacrylatharze e methyl methacrylate resins
e Epoxidharze e epoxy resins
e Polyurethane e polyurethanes
e Phenol-Formaldehydharze e phenol-formaldehyde resins
e Aminoharze e amino resins
e Thermoplastische Harzsysteme e Thermoplastic resin systems
e Biopolymere e Biopolymers
Wie erwähnt, können die Fasern im Wesentlichen unidirektional in die Matrix As mentioned, the fibers can enter the matrix essentially unidirectionally
eingebettet werden. be embedded.
Die Fasern (auch bezeichnet als Filamente) können in Bündelform (Rovings) bereitgestellt werden. Die Bündel können dabei aus im Wesentlichen paralle!| ausgerichteten Fasern oder umeinander gewundene oder geflechteten Fasern The fibers (also referred to as filaments) can be provided in bundle form (rovings). The bundles can thereby consist of essentially parallel!| aligned fibers or twisted or braided fibers
bestehen. Natürlich sind auch Mischformen prinzipiell denkbar. consist. Mixed forms are of course also conceivable in principle.
Beispiele für Fasern, die mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, sind zumindest eines der Folgenden: Examples of fibers that can be used with the present invention are at least one of the following:
- Glasfasern (Glasfasern sind hauptsächlich wegen ihres relativ geringen Preises die am häufigsten verwendeten Fasertypen. Es gibt Glasfasertypen für unterschiedliche Einsatzgebiete.) - Glass fibers (Glass fibers are the most commonly used fiber types mainly because of their relatively low price. There are glass fiber types for different applications.)
- Kohlenstofffasern (auch: Carbonfasern; Diese weisen eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht auf. Nachteile können in einem spröden Bruchverhalten und einer geringen Bruchdehnung liegen.) - Carbon fibers (also: carbon fibers; These have high strength and low weight at the same time. Disadvantages can be brittle fracture behavior and low elongation at break.)
- Basaltfasern (Basaltfaser ist eine Mineralfaser, die wegen ihrer guten chemischen Beständigkeit und Temperaturfestigkeit vorwiegend im Behälterund Fahrzeugbau verwendet wird.) - Basalt fibers (basalt fibers are mineral fibers that are mainly used in container and vehicle construction because of their good chemical resistance and temperature resistance.)
- Keramikfasern (Endlose Keramikfasern aus Aluminiumoxid, Mullit (Mischoxid aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid), SIBCN, SICN, SiC etc. sind teure Spezialfasern für hochtemperaturbelastbare Verbundwerkstoffe mit einer Keramikmatrix. Die nicht-oxidischen Fasern werden, ähnlich wie Kohlenstofffasern, aus organischen Harzen gewonnen, in denen neben - Ceramic fibers (endless ceramic fibers made of aluminum oxide, mullite (mixed oxide of aluminum oxide and silicon dioxide), SIBCN, SICN, SiC, etc. are expensive special fibers for high-temperature-resistant composite materials with a ceramic matrix. The non-oxide fibers, similar to carbon fibers, are obtained from organic resins, in those next to
Kohlenstoff auch Silicium enthalten ist.) carbon also contains silicon.)
- Aramidfasern (Aramid ist die Kurzfassung für aromatische Polyamide. Das Herstellungsverfahren ist sehr teuer und somit ist die Aramidfaser preislich vergleichbar mit der Kohlenstofffaser. Die wesentlichen Eigenschaften sind ihre geringe Dichte und die guten Dämpfungseigenschaften.) - Aramid fibers (Aramid is the abbreviation for aromatic polyamide. The manufacturing process is very expensive and the price of aramid fibers is therefore comparable to that of carbon fibres. The essential properties are their low density and good damping properties.)
- Stahlfasern (Stahlfasern werden hauptsächlich im Bauwesen bei Stahlfaserbeton verwendet. Diese Anwendung ist stark im Wachsen und hat besonders wirtschaftliche Vorteile.) - Steel fibers (Steel fibers are mainly used in construction for steel fiber reinforced concrete. This application is growing rapidly and has particular economic advantages.)
- Naturfasern (Die am häufigsten für die Produktion von Faserverbundwerkstoffen eingesetzten Fasern sind die heimischen Holzfasern, Flachs- und Hanffasern sowie subtropische und tropische Fasern wie Jute-, Kenaf-, Ramie- oder Sisalfasern.) - Natural fibers (The fibers most commonly used for the production of fiber composite materials are domestic wood fibers, flax and hemp fibers as well as subtropical and tropical fibers such as jute, kenaf, ramie or sisal fibers.)
- Nylonfasern (Fasern mit einer hohen Bruchdehnung sind von Vorteil, wenn - Nylon fibers (fibers with a high breaking elongation are advantageous if
das Faserlaminat StöRe aufnehmen muss.) the fiber laminate has to absorb disturbances.)
Es kann vorgesehen sein, dass die Fasern durch ein Bad mit der Matrix im flüssigen It can be provided that the fibers are washed through a bath with the matrix in the liquid
Zustand gezogen und dadurch in der Matrix eingebettet werden. State drawn and thus embedded in the matrix.
Die Matrix samt den darin eingebetteten Fasern kann durch eine Düse geführt werden, um eine geometrische Form, insbesondere eine Dicke, des Faserlaminats zumindest The matrix together with the fibers embedded therein can be guided through a nozzle in order to at least change a geometric shape, in particular a thickness, of the fiber laminate
teilweise festzulegen. partially set.
Dass die Düse die geometrische Form zumindest teilweise festlegt, kann dahingehend verstanden werden, dass beispielsweise eine Dicke des Faserlaminats durch die Düse bis zu einem gewissen Genauigkeitsgrad festgelegt wird. Durch anschließende Vorgänge (beispielsweise Schwindung beim Aushärteprozess, Aufprägen der Oberflächenstruktur) kann sich die Geometrie des Faserlaminats noch weiter verändern. Durch Führen der Matrix samt den darin eingebetteten Fasern durch ein Walzenpaar (vor oder nach dem Aufprägen der Oberflächenstruktur) kann die Dicke The fact that the nozzle at least partially defines the geometric shape can be understood to mean that, for example, a thickness of the fiber laminate is defined by the nozzle to a certain degree of accuracy. Subsequent processes (e.g. shrinkage during the curing process, embossing of the surface structure) can further change the geometry of the fiber laminate. By guiding the matrix together with the fibers embedded in it through a pair of rollers (before or after embossing the surface structure), the thickness
letztendlich festgelegt werden, was aber nicht zwingend ist. Alternativ kann die Düse die Geometrie des Faserlaminats auch nur bereichsweise ultimately be determined, but this is not mandatory. Alternatively, the nozzle can also change the geometry of the fiber laminate only in certain areas
festlegen, sodass die Düse die geometrische Form des Faserlaminats auf diese Weise set so that the nozzle the geometric shape of the fiber laminate in this way
nur teilweise festlegt. only partially determined.
Um den Aushärteprozess auszulösen und/oder zu beschleunigen, kann die Matrix samt den darin eingebetteten Fasern beheizt werden, vorzugsweise mittels zumindest einer In order to trigger and/or accelerate the curing process, the matrix together with the fibers embedded therein can be heated, preferably by means of at least one
Heizplatte. hotplate.
In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen können zwei Heizplatten vorgesehen sein, zwischen denen die Matrix samt den darin eingebetteten Fasern hindurchgeführt In particularly preferred exemplary embodiments, two heating plates can be provided, between which the matrix and the fibers embedded therein pass
wird. becomes.
In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die zumindest eine Heizplatte in Kontakt mit der Matrix und/oder den darin eingebetteten Fasern, um die In particularly preferred embodiments, the at least one heating plate is in contact with the matrix and/or the fibers embedded therein in order to
Wärmeübertragung zu verbessern. improve heat transfer.
Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die zumindest eine Heizplatte einen definierten Druck und/oder eine definierte Kraft auf die Matrix samt den darin Provision can also be made for the at least one heating plate to apply a defined pressure and/or a defined force to the matrix including the matrix therein
eingebetteten Fasern ausübt. embedded fibers exercises.
Heizplatten können direkt mit elektrischer Energie oder mittels eines Heizmediums Heating plates can be powered directly with electrical energy or by means of a heating medium
(bspw. Wasser oder Öl) beheizt werden. (e.g. water or oil) are heated.
Statt Heizplatten könnt prinzipiell auch andere Vorrichtungen, wie beispielsweise In principle, instead of heating plates, other devices, such as
Heizstrahler, eingesetzt werden. Radiant heaters are used.
Die Temperatur und/oder die ausgeübte Kraft und/oder der ausgeübte Druck kann The temperature and/or the applied force and/or the applied pressure can
gesteuert oder geregelt werden. be controlled or regulated.
Wie bereits erwähnt, kann es vorgesehen sein, dass die Matrix samt den darin eingebetteten Fasern — vorzugsweise vor dem Aufprägen der Oberflächenstruktur — durch zumindest ein Walzenpaar geführt wird, um eine Dicke des resultierenden Faserlaminats festzulegen. Ausführungsformen, wobei das Walzenpaar zum Einstellen der Dicke in einer Vorschubrichtung vor der zumindest einen Prägewalze angeordnet As already mentioned, it can be provided that the matrix together with the fibers embedded therein—preferably before the surface structure is imprinted—is guided through at least one pair of rollers in order to determine the thickness of the resulting fiber laminate. Embodiments, wherein the pair of rollers for adjusting the thickness are arranged in front of the at least one embossing roller in a feed direction
ist, sind prinzipiell auch denkbar. are also conceivable in principle.
Das Walzenpaar kann dabei gegenüberliegend angeordnet sein, sodass die Matrix samt den darin eingebetteten Fasern gleichzeitig in Kontakt mit beiden Walzen des The pair of rollers can be arranged opposite one another, so that the matrix, together with the fibers embedded in it, is in contact with both rollers at the same time
Walzenpaars steht. pair of rollers.
Die Walzen des Walzenpaars können dabei bevorzugt eine im Wesentlichen glatte Oberfläche aufweisen, um die aufgeprägte Oberflächenstruktur nicht zu stören. Die Walzen des Walzenpaars können dementsprechend auch als „Glättwalzen“ bezeichnet The rollers of the pair of rollers can preferably have an essentially smooth surface in order not to disturb the embossed surface structure. The rollers of the roller pair can accordingly also be referred to as "smoothing rollers".
werden. become.
Es kann vorgesehen sein, dass die Walzen des Walzenpaars einen definierten, gesteuerten und/oder geregelten Abstand voneinander aufweisen, um die Dicke des Provision can be made for the rollers in the pair of rollers to have a defined, controlled and/or regulated distance from one another in order to reduce the thickness of the
Faserlaminats einzustellen. Adjust fiber laminate.
Die Oberflächenstruktur kann mittels zumindest einer Prägewalze auf die Matrix samt den darin eingebetteten Fasern aufgeprägt werden. Die Prägewalze hat dafür eine Negativ-Struktur, die sich nach dem Aufprägen als Oberflächenstruktur des The surface structure can be embossed onto the matrix together with the fibers embedded therein by means of at least one embossing roller. For this purpose, the embossing roller has a negative structure, which after embossing appears as the surface structure of the
Faserlaminats zeigt. Fiber laminate shows.
Die Negativ-Struktur besitzt dabei Vertiefungen und/oder Erhöhungen, die beim Kontakt mit der zumindest einen Prägewalze in der Matrix samt den darin eingebetteten Fasern korrespondierende Erhöhungen und/oder Vertiefungen und damit die The negative structure has indentations and/or elevations which, upon contact with the at least one embossing roller in the matrix together with the fibers embedded therein, have corresponding elevations and/or indentations and thus the
Oberflächenstruktur erzeugen. create surface structure.
Es können zwei Prägewalzen zum Einsatz kommen, die gegenüberliegend angeordnet sind, sodass die Matrix samt den darin eingebetteten Fasern gleichzeitig in Kontakt mit Two embossing rollers can be used, which are arranged opposite one another so that the matrix and the fibers embedded in it are in contact with the matrix at the same time
den Prägewalzen steht. the embossing rollers.
Prinzipiell könnten auch mehr als zwei Prägewalzen verwendet werden, die In principle, more than two embossing rollers could be used
beispielsweise teilweise sequentiell angeordnet sind. Es müssen nicht alle der Prägewalzen die erwähnte Negativ-Struktur aufweisen. for example, are partially arranged sequentially. Not all of the embossing rollers have to have the negative structure mentioned.
Zumindest eine der Prägewalzen muss aber eine Negativ-Struktur aufweisen, sodass However, at least one of the embossing rollers must have a negative structure, so that
die Oberflächenstruktur aufgeprägt werden kann. the surface structure can be embossed.
Kommen zwei oder mehr Prägewalzen zum Einsatz kann die Oberflächenstruktur der Matrix samt den darin eingebetteten Fasern auf zwei Seiten aufgeprägt werden. Gemäß der Erfindung kann daher ein Faserlaminat bereitgestellt werden, das die If two or more embossing rollers are used, the surface structure of the matrix, including the fibers embedded in it, can be embossed on two sides. According to the invention, therefore, a fiber laminate can be provided which
Oberflächenstruktur auf einer oder zwei Seiten aufweist. Has surface structure on one or two sides.
Alternativ zu Prägewalzen könnten prinzipiell auch Bänder zum Einsatz kommen, As an alternative to embossing rollers, belts could in principle also be used,
welche die erwähnte Negativ-Struktur aufweisen. which have the mentioned negative structure.
Darunter, dass Prägewalzen oder Glättwalzen gleichzeitig mit der Matrix samt den darin eingebetteten Fasern in Kontakt stehen, kann verstanden werden, dass diese Walzen in Bezug auf eine Vorschubrichtung der Matrix samt den darin eingebetteten Fasern an der gleichen Stelle angeordnet sind, sodass sie in Vorschubrichtung mit dem gleichen Bereich der Matrix samt den darin eingebetteten Fasern in Kontakt stehen (also The fact that embossing rollers or smoothing rollers are in contact with the matrix and the fibers embedded in it at the same time can be understood to mean that these rollers are arranged at the same point in relation to a feed direction of the matrix and the fibers embedded in it, so that they are in contact with the same area of the matrix including the fibers embedded in it (ie
„gleichzeitig“ in Bezug auf eine Vorschubposition). "simultaneously" in relation to a feed position).
Zum Erreichen des Gelpunkts, ohne dass der Aushärteprozess der Matrix vor dem Aufprägen der Oberflächenstruktur beendet wird, können definierte Temperaturbereiche und/oder Abstände zwischen einem Punkt, bei dem der Aushärtezeitpunkt beginnt, und In order to reach the gel point without the curing process of the matrix being terminated before the surface structure is imprinted, defined temperature ranges and/or distances between a point at which the curing time begins and
einem Punkt, an dem die Oberflächenstruktur aufgeprägt wird, verwendet werden. a point where the surface structure is imprinted.
In Versuchen der Anmelderin in Form eines Strangzieh-Prozesses haben sich dabei Soll-Temperaturen von weniger als 400° C (besonders bei Heizstrahlern), weniger als 200° C (besonders bei elektrisch beheizten Heizplatten) und/oder weniger als 100° C (besonders bei mittels eines Heizmediums beheizten Heizplatten) als vorteilhaft In tests by the applicant in the form of a pultrusion process, target temperatures of less than 400° C (especially with radiant heaters), less than 200° C (especially with electrically heated heating plates) and/or less than 100° C (especially with heating plates heated by a heating medium) as advantageous
herausgestellt. exposed.
Des Weiteren haben sich bei einer Bewegungsgeschwindigkeit der Matrix samt den darin eingebetteten Fasern beim Strangziehen von weniger als 12 m pro Minute folgende Abstandsbereiche herausgestellt, bei denen der Aushärteprozess beendet sein kann (das Aufprägen der Oberflächenstruktur geschieht erfindungsgemäß vor dem Aushärtezeitpunkt): Furthermore, with a movement speed of the matrix including the fibers embedded in it during pultrusion of less than 12 m per minute, the following distance ranges have emerged at which the curing process can be ended (according to the invention, the surface structure is imprinted before the curing time):
- nach einer Düse: 7 m bis 12 m - after a nozzle: 7 m to 12 m
- nach einem Eintritt in eine Heizzone: 5,5 m bis 10,5 m - after entering a heating zone: 5.5 m to 10.5 m
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind anhand der Figuren sowie der Further advantages and details of the invention are based on the figures and the
dazugehörigen Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen: associated figure description visible. show:
Fig. 1 ein schematisches Schaubild eines Ausführungsbeispiels eines Fig. 1 is a schematic diagram of an embodiment of a
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, manufacturing process according to the invention,
Fig. 2a und 2b fotografische Darstellungen zweier Ausführungsbeispiele einer Prägewalze, Fig. 3 eine fotografische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laminats, 2a and 2b photographic representations of two exemplary embodiments of an embossing roller, FIG. 3 a photographic representation of a laminate according to the invention,
Fig. 4a und 4b zwei Schaubilder zum Verfahren gemäß dem Stand der Technik sowie 4a and 4b two diagrams of the method according to the prior art and
Fig. 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Gelpunkts. 5 is a diagram showing the gel point.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaubild zu einem Ausführungsbeispiel des Fig. 1 shows a schematic diagram of an embodiment of the
Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung. Manufacturing process according to the invention.
Aus einem Vorrat 8 an Fasern 3 in Bündelform (Rovings) werden die Fasern 3 über ein Rovinggatter 9 und Rollen durch ein Bad 4 geführt, in welchem die Matrix 2 in flüssiger Form vorliegt. Dadurch werden die Fasern 3 in die Matrix 2 eingebettet, d.h. mit der From a supply 8 of fibers 3 in bundle form (rovings), the fibers 3 are guided via a roving creel 9 and rollers through a bath 4 in which the matrix 2 is present in liquid form. Thereby the fibers 3 are embedded in the matrix 2, i.e. with the
Matrix 2 imprägniert. Matrix 2 impregnated.
Die Matrix 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein auf Bisphenol A basiertes Epoxid In this exemplary embodiment, the matrix 2 is an epoxy based on bisphenol A
Harz mit einem Isophorondiamin Härter. Resin with an isophorone diamine hardener.
Dabei werden die Fasern 3 in einer Richtung parallel zueinander durch das Bad 4 geführt, sodass sich letztendliche eine unidirektionale Ausrichtung der Fasern 3 im The fibers 3 are guided in a direction parallel to one another through the bath 4, so that ultimately a unidirectional alignment of the fibers 3 in the
Faserlaminat 1 ergibt. Fiber laminate 1 results.
Nach dem Imprägnieren im Bad 4 wird die Matrix 2 samt den darin eingebetteten Fasern 3 durch eine Düse 5 geführt, welche die Geometrie des Faserlaminats 1 grob After impregnation in the bath 4, the matrix 2, together with the fibers 3 embedded therein, is guided through a nozzle 5, which has the geometry of the fiber laminate 1 roughly
festlegt. Die Geometrie des Faserlaminats 1 ist aus Fig. 3 ersichtlich. determines. The geometry of the fiber laminate 1 can be seen in FIG.
Für den Vorschub (eigentlich: Durchzug) der Fasern 3 durch das Rovinggatter 9, das For feeding (actually: pulling through) the fibers 3 through the roving creel 9, the
Bad 4, die Düse 5 und die nachfolgenden Elemente ist ein Abzug 12 vorgesehen. Der Bad 4, the nozzle 5 and the following elements, a trigger 12 is provided. The
Abzug 12 beinhaltet zwei Kettenbänder, welche die Matrix 2 samt der darin Trigger 12 includes two chain bands, which the matrix 2 and the therein
eingebetteten Fasern 3 durch die erwähnten Elemente zieht. embedded fibers 3 pulls through the elements mentioned.
Insoweit handelt es sich beim vorliegenden Herstellungsverfahren um ein an sich bekanntes Strangziehverfahren, womit Faserlaminate in Endlosfertigung hergestellt In this respect, the present production process is a known pultrusion process, with which fiber laminates are produced in endless production
werden können. can become.
Nach der Düse 5 wird die Matrix 2 samt der darin eingebetteten Fasern 3 durch eine Heizzone 11 bewegt. Die Heizzone 11 beinhaltet Heizplatten 14, welche die Matrix 2 erwärmen. Durch die Erwärmung wird der Aushärteprozess der Matrix 2 in Gang After the nozzle 5 the matrix 2 together with the fibers 3 embedded therein is moved through a heating zone 11 . The heating zone 11 contains heating plates 14 which heat the matrix 2 . The curing process of the matrix 2 is initiated by the heating
gesetzt und/oder beschleunigt. set and/or accelerated.
Die Länge der Heizzone und die Durchzugsgeschwindigkeit wird dabei so gewählt, dass die Matrix 2 am Ende der Heizzone und nach dem Führen durch ein Walzenpaar 7 den Gelpunkt erreicht, bei dem die Matrix 2 in einem plastischen Zustand vorliegt (Anhärten The length of the heating zone and the pull-through speed are selected in such a way that the matrix 2 reaches the gel point at the end of the heating zone and after being guided through a pair of rollers 7, at which the matrix 2 is in a plastic state (hardening
durch Bildung langkettiger Moleküle). through the formation of long-chain molecules).
An dieser Stelle sind Prägewalzen 6 vorgesehen, die durch Vertiefungen und Erhebungen (Negativ-Struktur) die Oberflächenstruktur 10 auf die Matrix 2 samt den At this point, embossing rollers 6 are provided, the surface structure 10 on the matrix 2 including the through depressions and elevations (negative structure).
darin vorliegenden Fasern 3 aufprägen. fibers 3 present therein.
In diesem Ausführungsbeispiel ist nur die in der Fig. 1 obere Prägewalze 6 mit der Negativ-Struktur versehen. Die untere Prägewalze ist demnach in diesem In this exemplary embodiment, only the upper embossing roller 6 in FIG. 1 is provided with the negative structure. The lower embossing roller is therefore in this
Ausführungsbeispiel glatt. Embodiment smooth.
Nach dem erfindungsgemäßen Aufprägen der Oberflächenstruktur 10 setzt sich der Aushärteprozess der Matrix 2 bis zum vollständigen Aushärten fort, sodass die Matrix 2 vom angesprochenen plastischen Zustand in einen vollkommen erhärteten Zustand übergeht. In diesem vollkommen erhärteten Zustand wäre ein Aufprägen einer Struktur nicht mehr möglich, da sich die Matrix 2 nur mehr gering elastisch verformen würde After the surface structure 10 has been embossed according to the invention, the curing process of the matrix 2 continues until it is completely cured, so that the matrix 2 changes from the aforementioned plastic state to a completely hardened state. In this completely hardened state, it would no longer be possible to emboss a structure, since the matrix 2 would only deform slightly elastically
oder unter der Einwirkung der Prägung vielfach brechen würde. or would break multiple times under the influence of the embossing.
Vor den Prägewalzen 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Walzenpaar 7 In the present exemplary embodiment, there is a pair of rollers 7 in front of the embossing rollers 6
vorgesehen, mittels welchem die Dicke des Faserlaminats 1 eingestellt werden kann. provided, by means of which the thickness of the fiber laminate 1 can be adjusted.
Auch am Ort des Walzenpaars 7 befindet sich die Matrix 2 noch im plastischen At the location of the pair of rollers 7, the matrix 2 is still in the plastic state
Zustand. Condition.
Die Prägewalzen 6 und das Walzenpaar 7 sind räumlich nahe zueinander angeordnet The embossing rollers 6 and the pair of rollers 7 are spatially arranged close to one another
und bilden daher eine Glätt- und Prägeeinheit. and therefore form a smoothing and embossing unit.
Nach dem Abzug 12 kann das Faserlaminat wie gewünscht beschnitten werden. After stripping 12, the fiber laminate can be trimmed as desired.
Wie erwähnt, zeigen Fig. 2a und Fig. 2b zwei Ausführungsbeispiele für Prägewalzen 6, As mentioned, Fig. 2a and Fig. 2b show two exemplary embodiments for embossing rollers 6,
wobei verschiedene Negativ-Strukturen ersichtlich sind. where different negative structures are visible.
Fig. 3 zeigt Faserlaminate 1, die gemäß dem in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen FIG. 3 shows fiber laminates 1 according to that described in connection with FIG
Herstellungsverfahren mit einer Oberflächenstruktur 10 versehen wurden. Manufacturing processes were provided with a surface structure 10.
Bei den beispielhaften Faserlaminaten 1, die in Fig. 3 dargestellt sind, liegen zumeist The exemplary fiber laminates 1 shown in FIG
mehrere Lagen von Faserbündeln übereinander. several layers of fiber bundles on top of each other.
Zum Vergleich wurde in Fig. 4a und in Fig. 4b ein Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik verdeutlicht. Ersichtlich ist, dass die Faserbündel (Rovings) nicht ideal eben im Laminat 21 liegen. Durch den nachfolgenden Schleifprozess mittels eines Schleifbands 22 wird zwar eine Oberfläche mit einer gewissen Struktur erzeugt. Allerdings werden die einzelnen Fasern bis zu verschiedener Tiefe angeschliffen oder sogar ganz weggeschliffen. Es ist offensichtlich, dass dadurch nicht nur schädlicher Schleifstaub entsteht, sondern dass außerdem die Materialeigenschaften, je nach For comparison, a production method according to the prior art was illustrated in FIG. 4a and in FIG. 4b. It can be seen that the fiber bundles (rovings) are not ideally level in the laminate 21 . The subsequent grinding process using a grinding belt 22 produces a surface with a certain structure. However, the individual fibers are sanded down to different depths or even sanded away completely. It is obvious that this not only creates harmful sanding dust, but also that the material properties, depending on the
lokaler Lage der Fasern im Laminat 21, unterschiedlich ausfallen. local position of the fibers in the laminate 21, turn out differently.
Im Gegensatz dazu kann mit der Erfindung einer Faserlaminat 1 hergestellt werden, ohne dass Material verschwendet wird, welches darüber hinaus weitaus homogenere In contrast, with the invention, a fiber laminate 1 can be produced without wasting material, which is also far more homogeneous
Materialeigenschaften und eine frei wählbare Oberflächenstruktur aufweist. Has material properties and a freely selectable surface structure.
Fig. 5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm zur Verdeutlichung des Gelpunkts. Aufgetragen sind einerseits der Temperaturverlauf (durchgezogene Linie) eines Volumenelements der Matrix 2 während des Strangziehens und andererseits die 5 shows an exemplary diagram for clarifying the gel point. On the one hand, the temperature curve (solid line) of a volume element of the matrix 2 during the pultrusion and on the other hand, are plotted
Viskosität (gepunktet) desselben, jeweils gegen die Zeit. Viscosity (dotted) of the same, each against time.
Nach einem anfänglichen Abfall der Viskosität durch die ansteigende Temperatur in der Heizzone 11 und einem anschließenden flachen Verlauf der Viskosität, währenddessen die Aushärtereaktion der Matrix 2 beginnt, steigt die Viskosität relativ steil an. Letzteres After an initial drop in viscosity due to the increasing temperature in the heating zone 11 and a subsequent flat course of the viscosity, during which the curing reaction of the matrix 2 begins, the viscosity increases relatively steeply. the latter
ist das Resultat der Aushärtereaktion, durch welche in der Matrix 2 langkettige Moleküle is the result of the hardening reaction, which creates 2 long-chain molecules in the matrix
gebildet werden. are formed.
In diesem Zeitraum fällt der Gelpunkt (vertikale Linie). Er markiert den Zeitpunkt, ab dem die Matrix 2 plastisch verformbar ist. Der sich nach dem Gelpunkt fortsetzende starke Anstieg der Viskosität mündet letztlich in einem ausgehärteten Zustand, in During this period, the gel point (vertical line) falls. It marks the time from which the matrix 2 is plastically deformable. The strong increase in viscosity that continues after the gel point ultimately leads to a hardened state in which
welchem die Matrix 2 nicht mehr plastisch verformbar ist. Ersichtlich ist, dass durch den starken Anstieg der Viskosität nur ein relativ kurzes Zeitfenster zur Verfügung steht, in welchem die Matrix 2 plastisch verformbar ist. Ein which the matrix 2 is no longer plastically deformable. It can be seen that due to the strong increase in viscosity, only a relatively short time window is available in which the matrix 2 can be plastically deformed. A
Grundaspekt der Erfindung ist es, dieses kurze Zeitfenster auszunützen, um die Basic aspect of the invention is to exploit this short time window to the
Oberflächenstruktur 10 unter plastischer Verformung der Matrix 2 aufzuprägen. Imprint surface structure 10 under plastic deformation of the matrix 2.
Innsbruck, am 19. Oktober 2021 Innsbruck, October 19, 2021
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ATA50833/2021A AT525587A1 (en) | 2021-10-19 | 2021-10-19 | Method for producing a fiber laminate, a fiber laminate and a use of a fiber laminate |
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