AT528189B1 - Spreizwalze und verfahren zum aufspreizen eines faserfilamentbündels - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels (1) zu einem flachen Faser band umfassend eine Spreizwalze (3) mit einer Walzenachse und einer zylindrischen Mantelfläche zur auf spreizenden Anlage des Faserfilamentbündels (1), wobei zumindest ein Mantelflächenabschnitt der zylindrischen Mantelfläche mit einer aus einer Vielzahl von in axialer Richtung nebeneinander liegender Nuten gebildeten Nutenschar (5) versehen ist, und die Nuten jeweils einen Anfangsbereich und einen Endbereich aufweisen und die axiale Erstreckung der Nutenschar (5) sich im Verlauf der Nuten von ihren Anfangsbereichen zu ihren Endbereichen zunehmend erweitert. Es wird vorgeschlagen, dass ein einstellbarer Drehantrieb oder eine einstellbare Drehbremse für die Spreizwalze (3) vorgesehen ist, die jeweils ausgeführt sind eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Translationsgeschwindigkeit des einlaufenden Faserfilamentbündels und der Umfangsgeschwindigkeit der Spreizwalze einzustellen. Des Weiteren wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Spreizwalze (3) mithilfe eines Drehantriebes oder einer Drehbremse in eine von der Translationsgeschwindigkeit des Faserfilamentbündels (1) unabhängig einstellbare Rotation versetzt wird.

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels zu einem flachen Faserband umfassend eine Spreizwalze mit einer Walzenachse und einer zylindrischen Mantelfläche zur aufspreizenden Anlage des Faserfilamentbündels, wobei zumindest ein Mantelflächenabschnitt der zylindrischen Mantelfläche mit einer aus einer Vielzahl von in axialer Richtung nebeneinander liegender Nuten gebildeten Nutenschar versehen ist, und die Nuten jeweils einen Anfangsbereich und einen Endbereich aufweisen und die axiale Erstreckung der Nutenschar sich im Verlauf der Nuten von ihren Anfangsbereichen zu ihren Endbereichen zunehmend erweitert, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels zu einem flachen Faserband mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 13.

[0002] Eine gattungsgemäße Vorrichtung wird in der EP 3280664 B1 beschrieben. Weitere Vorrichtungen wurden in der US 4301579 A und der EP 0703176 A1 beschrieben. Spreizwalzen werden in Spreizvorrichtungen verwendet und dienen dazu Faserfilamentbündel aus endlosen Filamenten so aufzuspreizen, dass die Filamente gleichmäßig und möglichst flach nebeneinander als Faserband angeordnet sind. Die Faserfilamentbündel werden dabei typischerweise von mehreren tausend bis mehreren zehntausend (Mono-)Filamenten gebildet und weisen vor dem Aufspreizen mehrere übereinander angeordnete Faserlagen und eine variable Eingangsbreite auf. Solche Faserfilamentbündel werden auch als Rovings bezeichnet. Die Fasern können beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Carbonfaser, Glasfaser, Kevlarfasern, Basaltfasern, Kunststofffasern, Keramikfasern, natürliche Fasern (wie Hanffasern und/oder Flachsfasern) und Mischungen von zumindest zwei der genannten Fasertypen. Ziel des Spreizvorganges ist die möglichst parallele Ausrichtung der Fasern unter Ausbildung eines Faserbandes mit definierter Endbreite, das auch als Rovingband bezeichnet wird. Das Faserband weist eine geringere Anzahl von Faserlagen auf als das anfängliche Faserfilamentbündel, wobei die Faserlagen des Faserbandes eine größere Anzahl von Fasern sowie enger und vorzugsweise lückenlos nebeneinander angeordnete Fasern aufweisen als die Faserlagen des ungespreizten Faserfilamentbündels. Im Idealfall liegen in einem Faserband alle Fasern des Faserbandes in einer einzigen Faserlage nebeneinander, sodass das Faserband monolagig ist.

[0003] Faser- oder Rovingbänder wiederum erlauben in einem nachgeordneten Fertigungsschritt beispielsweise die Herstellung faserverstärkter Kunststoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Hierzu wird zunächst durch Spreizen des Faserfilamentbündels ein verbreitertes Faserband hergestellt, das als Zwischenprodukt auf Vorratsspulen zwischengelagert wird. Dieses Halbfabrikat wird in weiterer Folge wieder abgezogen und nachgeordneten Fertigungsschritten beispielsweise zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffe zugeführt. In der Praxis wird diese Vorgangsweise als „offline-spreizen“ bezeichnet. Im Gegensatz dazu befindet sich beim "onlinespreizen" die Spreizvorrichtung im Verbund mit nachgeordneten Fertigungsschritten und arbeitet im Takt mit ihnen.

[0004] Bekannte Spreizvorrichtungen weisen beispielsweise mehrere Stäbe oder Walzen auf, um die ein Faserfilamentbündel geführt werden kann. Nicht-drehbare, passive Spreizstäbe werden auch als „Spreader Bars“ bezeichnet. Beim Umlenken eines Faserfilamentbündels unter Zugspannung über einen Spreizstab, typischerweise um einen Umschlingungswinkel von 60° 180°, ergibt sich an den radial äußeren Schichten eine längere Strecke und dadurch eine höhere Belastung auf die Filamente. Die äußeren Filamente können dieser Belastung ausweichen, indem sie am Spreizstab in innere Schichten und somit nach außen wandern, wodurch sich die radial äußeren, nicht dehnbaren Filamente in eine energetisch günstigere Lage begeben. Dadurch wird eine Verbreiterung des Faserfilamentbündels erreicht. Dieser Vorgang hängt im Wesentlichen von der Zugkraft auf das Faserfilamentbündel und der Reibung zwischen dem Faserfilamentbündel und der Spreizstange ab, zudem spielen beispielsweise auch die Positionierung der Spreizstangen zueinander und der Durchmesser der Spreizstangen eine Rolle. Auf einem ähnlichen Wirkprinzip beruht der Radiusspreizer, bei dem ein Faserfilamentbündel zuerst mithilfe einer gebogenen Stange und danach mithilfe einer geraden Stange umgelenkt wird.

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[0005] Die Translationsgeschwindigkeit des Faserbandes ist bei diesen mechanischen Spreizverfahren aber maximal auf etwa 0,4 m/s begrenzt, und das maximale Spreizverhältnis beträgt in der Regel maximal 3. Die vergleichsweise hohe Zugspannung im Faserband begünstigt zudem Faserbrüche. Für den praktischen Einsatz wären ein höherer Durchsatz und eine geringere Faserbelastung vorteilhaft.

[0006] Des Weiteren sind pneumatische Spreizverfahren mittels Vakuum bekannt, die zwar höhere Spreizverhältnisse bis etwa 6-7 bei geringerem Faserbruch ermöglichen, aber in ihrem Durchsatz limitiert und technisch vergleichsweise aufwändig sind. Auch Spreizverfahren auf Basis von Vibrations-Spreizern oder Ultraschall-Faserspreizern zeichnen sich durch einen vergleichsweise hohen technischen Aufwand aus.

[0007] Es ist daher das Ziel der Erfindung das Aufspreizen von Faserfilamentbündel so zu verbessern, dass bei vergleichsweise niedrigem technischen Aufwand ein möglichst hoher Durchsatz bei gleichzeitig möglichst geringer Faserbelastung und somit geringem Faserbruch ermöglicht wird. Zudem soll eine möglichst flexible Regelbarkeit des Spreizprozesses ermöglicht werden, um eine konstante Produktqualität der erzeugten Faserbänder unabhängig von Eingangsbreitenschwankungen des Faserfilamentbündels sicherzustellen.

[0008] Diese Ziele werden durch eine Spreizwalze nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels nach Anspruch 13 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels zu einem flachen Faserband umfassend eine Spreizwalze mit einer Walzenachse und einer zylindrischen Mantelfläche zur aufspreizenden Anlage des Faserfilamentbündels, wobei zumindest ein Mantelflächenabschnitt der zylindrischen Mantelfläche mit einer aus einer Vielzahl von in axialer Richtung nebeneinander liegender Nuten gebildeten Nutenschar versehen ist, und die Nuten jeweils einen Anfangsbereich und einen Endbereich aufweisen und die axiale Erstreckung der Nutenschar sich im Verlauf der Nuten von ihren Anfangsbereichen zu ihren Endbereichen zunehmend erweitert. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein einstellbarer Drehantrieb oder eine einstellbare Drehbremse für die Spreizwalze vorgesehen ist, die jeweils ausgeführt sind eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Translationsgeschwindigkeit des einlaufenden Faserfilamentbündels und der Umfangsgeschwindigkeit der Spreizwalze einzustellen.

[0009] Unter einer Nutenschar wird dabei in Anlehnung an den mathematischen Begriff der Kurvenschar eine Gesamtheit von Nuten bezeichnet, die sich in ihrem Verlauf einander ähneln und nebeneinander liegend angeordnet sind. Durch die erfindungsgemäße Vielzahl an Nuten wird eine weitestgehende Bedeckung des betreffenden Mantelflächenabschnittes mit Nuten erreicht. Der Mantelflächenabschnitt stellt dabei wortsinngemäß einen Teilbereich der Mantelfläche der Spreizwalze dar. Eine axiale Erstreckung einer Nutenschar kann entlang einer Mantellinie der Spreizwalze gemessen werden. Da die Nuten der Nutenschar erfindungsgemäß in axialer Richtung nebeneinander liegend angeordnet sind, verlaufen sie grundsätzlich in Umfangsrichtung, werden dabei aber eine axiale Versetzung erfahren, da sich die axiale Erstreckung der Nutenschar im Verlauf der Nuten von ihren Anfangsbereichen zu ihren Endbereichen zunehmend erweitert. Der Begriff "zunehmend erweitert" umfasst dabei sowohl den Fall der zunehmenden Erweiterung in Bezug auf eine Anfangsgröße der axialen Erstreckung als auch den Fall einer zunehmenden Erweiterung in Bezug auf einen lokalen Wert im Sinne einer differentiellen Erweiterung der axialen Erstreckung. Die axiale Versetzung kann auch als Steigung bezeichnet werden, wenngleich erfindungsgemäß keine der Nuten um den gesamten Umfang der Mantelfläche der Spreizwalze verläuft.

[0010] Eine solche Spreizwalze wird erfindungsgemäß in einer Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels zu einem flachen Faserband mit einem einstellbaren Drehantrieb eingesetzt, sodass zwischen der Translationsgeschwindigkeit des einlaufenden Faserfilamentbündels und der Umfangsgeschwindigkeit der Spreizwalze eine Relativgeschwindigkeit eingestellt werden kann. Alternativ kann die Spreizwalze auch durch die reibende Anlage des Faserfilamentbündels in Rotation versetzt werden, wobei durch eine einstellbare Drehbremse für die Spreizwalze eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Translationsgeschwindigkeit des einlaufenden

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Faserfilamentbündels und der Umfangsgeschwindigkeit der Spreizwalze eingestellt wird. Die erfindungsgemäße Ausführung der Spreizwalze mit in axialer Richtung nebeneinander liegenden Nuten, die eine Nutenschar bilden, deren axiale Erstreckung sich im Verlauf der Nuten von ihren Anfangsbereichen zu ihren Endbereichen zunehmend erweitert, sorgt für eine Spreizung des Faserfilamentbündels quer zur Laufrichtung des Faserfilamentbündels. Das Faserfilamentbündel wird dabei senkrecht zur Walzenachse der Spreizwalze zugeführt und umschlingt einen Teil der Mantelfläche der Spreizwalze. Der Winkel dieser Umschlingung wird auch als Umschlingungswinkel bezeichnet, worauf in weiterer Folge noch näher eingegangen werden wird. Die Rotation der Spreizwalze wird so geregelt, dass das Faserfilamentbündel zunächst in Anlage mit den Anfangsbereichen der Nuten gerät, die in weiterer Folge daher auch als Einlaufbereich bezeichnet werden, und in weiterer Folge durch die Nutenschar gewissermaßen durchkämmt und aufgrund der sich in Umfangsrichtung der Spreizwalze sich auffächernden Nutenschar gespreizt wird, bis die Endbereiche der Nuten erreicht sind, die in weiterer Folge auch als Auslaufbereich bezeichnet werden. Die axiale Erstreckung der Nutenschar im Einlaufbereich wird dabei so gewählt werden, dass sie in etwa der Breite des einlaufenden Faserfilamentbündels entspricht. Die axiale Erstreckung der Nutenschar im Auslaufbereich korreliert mit der Breite des auslaufenden Faserbandes. Auf diese Weise wird die Aufspreizung des Faserfilamentbündels auf die definierte Endbreite des Faserbandes mit nur einer Walze möglich. Dies ergibt im Vergleich zum Stand der Technik einen einfacheren, robusteren technischen Aufbau. Zudem ist eine gute Regelbarkeit gegeben, wobei sich der Regelparameter aus dem Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit der Spreizwalze zur Translationsgeschwindigkeit des Faserbandes ergibt. Dies ermöglicht es eine von der Eingangsbreite des Faserfilamentbündels weitgehend unabhängige Endbreite des Faserbandes einzustellen. Zudem reduziert die schonende Umlenkung der Fasern und die reduzierte Anzahl an Umlenkungen die Anzahl der Faserbrüche und trägt damit wesentlich zu einer hohen Produktqualität bei gleichzeitig hohem Produkt-Durchsatz bei.

[0011] Die Ausführung der Nutenschar kann in Form und Anzahl variieren. Me bereits erwähnt verlaufen die Nuten einer Nutenschar grundsätzlich in Umfangsrichtung der Spreizwalze mit einer axialen Versetzung. Vorzugsweise wird dabei vorgeschlagen, dass die Nutenschar von einer senkrecht zur Walzenachse verlaufenden Normalebene in zwei Nutenscharabschnitte geteilt wird, wobei sich die Nuten eines ersten Nutenscharabschnittes von ihrem jeweiligen Anfangsbereich zu ihrem jeweiligen Endbereich mit einer zunehmenden axialen Versetzung in Richtung eines ersten, ihnen näher liegenden Walzenendes um die Walzenachse winden, und die Nuten eines zweiten Nutenscharabschnittes von ihrem jeweiligen Anfangsbereich zu ihrem jeweiligen Endbereich mit einer zunehmenden axialen Versetzung in Richtung eines zweiten, ihnen näher liegenden und dem ersten Walzenende gegenüberliegenden Walzenendes um die Walzenachse winden. Auch hier umfasst der Begriff der "zunehmenden axialen Versetzung" sowohl den Fall der zunehmenden axialen Versetzung in Bezug auf eine Anfangsgröße als auch den Fall einer zunehmenden axialen Versetzung in Bezug auf einen lokalen Wert im Sinne einer differentiellen Versetzung. Vorzugsweise ist dabei die Nutenschar in Bezug auf die Normalebene symmetrisch ausgeführt. In diesem Fall kann von zwei Nutenscharhälften gesprochen werden, bei denen sich die Nuten einer ersten, beispielsweise linken Hälfte der Nutenschar in ihrer axialen Versetzung dem ihnen näher liegenden, linken Walzenende annähern, und die Nuten einer zweiten, beispielsweise rechten Hälfte der Nutenschar in ihrer axialen Versetzung dem ihnen näher liegenden, rechten Walzenende annähern. Die Nutenschar fächert somit im betreffenden Mantelflächenabschnitt symmetrisch auf, wobei der betreffende Mantelflächenabschnitt vorzugsweise mittig der Spreizwalze angeordnet ist.

[0012] Dabei kann gemäß einer ersten Ausführungsform eine einzige Nutenschar vorgesehen sein, die sich über einen annähernd die gesamte Mantelfläche umfassenden Mantelflächenabschnitt erstreckt. Der Mantelflächenabschnitt kann dabei vorzugsweise einen Umfangsbereich der Mantelfläche von maximal 355° umfassen. In diesem Fall liegen die Anfangsbereiche und die Endbereiche der Nuten in Umfangsrichtung gesehen vorzugsweise nah beieinander und sind durch einen schmalen, in axialer Richtung verlaufenden, nutenfreien Mantelflächenbereich getrennt, wobei die Nutenschar in den Anfangsbereichen der Nuten eine kleinste axiale Erstreckung aufweist, und in den Endbereichen ihrer Nuten eine größte axiale Erstreckung.

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[0013] Gemäß einer zweiten Ausführungsform können aber auch zumindest zwei in Umfangsrichtung der Mantelfläche aufeinander folgende Mantelflächenabschnitte vorgesehen sein, die mit jeweils einer Nutenschar versehen sind, wobei die aufeinander folgenden Mantelflächenabschnitte jeweils durch in axialer Richtung verlaufende, nutenfreie Mantelflächenbereiche getrennt sind und die Nuten eines Mantelflächenabschnittes eine Fortsetzung der Nuten eines in Umfangsrichtung daneben liegenden Mantelflächenabschnittes darstellen. Diese Ausführungsform kann auch so beschrieben werden, dass eine sich um annähernd die gesamte Mantelfläche erstreckende Nutenschar durch zumindest zwei nutenfreie Mantelflächenbereiche geteilt wird.

[0014] Gemäß einer dritten Ausführungsform können aber auch zumindest zwei in Umfangsrichtung der Mantelfläche aufeinander folgende Mantelflächenabschnitte vorgesehen sein, die mit jeweils einer Nutenschar versehen sind, wobei die aufeinander folgenden Mantelflächenabschnitte jeweils durch in axialer Richtung verlaufende, nutenfreie Mantelflächenbereiche getrennt sind und die Nutenschar eines Mantelflächenabschnittes jeweils identisch zu jenen der anderen Mantelflächenabschnitte ausgeführt ist. In diesem Fall stellen die Mantelflächenabschnitte gewissermaßen repetitive Abschnitte dar.

[0015] Die Nuten selbst können vorzugsweise jeweils einen dreiecksförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen.

Die Tiefe einer Nut beträgt dabei vorzugsweise 50-100% ihrer Breite. Die Tiefe einer Nut und die Breite einer Nut liegen vorzugsweise jeweils im Bereich von 0.1-1mm.

[0016] Zudem wird vorgeschlagen, dass die Spreizwalze beheizbar oder kühlbar ausgeführt ist. Die Anmelderin hat hierzu festgestellt, dass der Spreizvorgang und insbesondere die Repositionierung der Fasern im Faserfilamentbündel im Zuge des Aufspreizens auch temperaturabhängig ist. Durch die heizbare oder kühlbare Spreizwalze wird diese Temperaturabhängigkeit ausgenutzt, indem jene Temperaturbereiche eingestellt werden können, in denen der Spreizvorgang besonders begünstigt wird.

[0017] Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels zu einem flachen Faserband umfassend eine erfindungsgemäße Spreizwalze und einen einstellbaren Drehantrieb oder eine einstellbare Drehbremse für die Spreizwalze vorgeschlagen. Vorzugsweise umfasst eine solche Vorrichtung eine zuführende Positionierwalze zur Zufuhr des Faserfilamentbündels in einer relativ zur Spreizwalze definierten axialen Lage. Die Positionierwalze und die Spreizwalze sind dabei parallel zueinander angeordnet, wobei die Positionierwalze das Faserfilamentbündel so zuführt, dass es genau in den mit einer auffächernden Nutenschar versehenen Mantelflächenabschnitten auf die Spreizwalze trifft. Die Positionierwalze kann hierfür beispielsweise mit zwei Positionierscheiben versehen sein, zwischen denen das zulaufende Faserfilamentbündel aufgenommen und der Spreizwalze definiert zugeführt wird.

[0018] Zudem kann zumindest ein abführender Führungsstab zum Abführen des Faserbandes vorgesehen sein, wobei die Spreizwalze und der zumindest eine Führungsstab parallel zueinander und mit einem Umschlingungswinkel von jeweils maximal 90° angeordnet sind. Der vergleichsweise geringe Umschlingungswinkel verringert die Belastungen der Fasern und verringert somit auch den Faserbruch.

[0019] Des Weiteren wird ein Verfahren zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels zu einem flachen Faserband mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, wobei das Faserfilamentbündel mit einer Translationsgeschwindigkeit in aufspreizender Anlage über die Mantelfläche der Spreizwalze gezogen wird. Erfindungsgemäß wird dabei vorgeschlagen, dass die Spreizwalze mithilfe eines Drehantriebes oder einer Drehbremse in eine von der Translationsgeschwindigkeit des Faserfilamentbündels unabhängig einstellbare Rotation versetzt wird. Me bereits ausgeführt wurde kann durch den einstellbaren Drehantrieb eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Translationsgeschwindigkeit des einlaufenden Faserfilamentbündels und der Umfangsgeschwindigkeit der Spreizwalze eingestellt werden kann. Alternativ kann die Spreizwalze auch durch die reibende Anlage des Faserfilamentbündels in Rotation versetzt werden und durch eine einstellbare Drehbremse für die Spreizwalze eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Translationsgeschwindigkeit des einlaufenden Faserfilamentbündels und der Umfangsgeschwin-

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digkeit der Spreizwalze eingestellt werden.

[0020] Diese Maßnahmen ermöglichen auch eine gute Regelbarkeit des Spreizverfahrens, wobei sich der Regelparameter aus dem Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit der Spreizwalze zur Translationsgeschwindigkeit des Faserbandes ergibt. Dies ermöglicht es wie bereits erwähnt eine von der Eingangsbreite des Faserfilamentbündels weitgehend unabhängige Endbreite des Faserbandes einzustellen. Zudem reduziert die schonende Umlenkung der Fasern und die reduzierte Anzahl an Umlenkungen die Anzahl der Faserbrüche und trägt damit wesentlich zu einer hohen Produktqualität bei gleichzeitig hohem Produkt-Durchsatz bei.

[0021] Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Bandbreite des Faserbandes gemessen wird und die Rotation der Spreizwalze anhand der gemessenen Bandbreite geregelt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Laser-Messsystem handeln. Optional ist es in dieser Anordnung auch möglich Qualitätskontrollsysteme zu integrieren, beispielsweise ein Kamerasystem.

[0022] Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen hierbei die

[0023] Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels zu einem flachen Faserband mit einer erfindungsgemäßen Spreizwalze, einer zuführenden Positionierwalze sowie zwei abführenden Führungsstäben,

[0024] Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1 von der Seite gesehen, [0025] Fig. 3 eine Ansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1 von oben gesehen,

[0026] Fig. 4a eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizwalze für eine erste Drehstellung der Spreizwalze,

[0027] Fig. 49 die erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizwalze gemäß der Fig. 4a für eine zweite Drehstellung der Spreizwalze,

[0028] Fig. 5a eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizwalze für eine erste Drehstellung der Spreizwalze,

[0029] Fig. 5b die zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizwalze gemäß der Fig. 5a für eine zweite Drehstellung der Spreizwalze,

[0030] Fig. 6a eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizwalze für eine erste Drehstellung der Spreizwalze, und die

[0031] Fig. &b die dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spreizwalze gemäß der Fig. 6a für eine zweite Drehstellung der Spreizwalze.

[0032] Zunächst wird auf die Fig. 1-3 Bezug genommen, die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels 1 zu einem flachen Faserband mit einer erfindungsgemäßen Spreizwalze 3, einer zuführenden Positionierwalze 2 sowie zwei abführenden Führungsstäben 4.1, 4.2 zeigt. Die Positionierwalze 2, die Spreizwalze 3 sowie die Führungsstäbe 4.1, 4.2 sind dabei parallel zueinander angeordnet und mit einem Umschlingungswinkel des Faserfilamentbündels 1 von jeweils maximal 90° angeordnet. Die Positionierwalze 2 führt das Faserfilamentbündel 1 so der Spreizwalze 3 zu, dass das Faserfilamentbündel 1 genau in den mit einer auffächernden Nutenschar 5 versehenen Mantelflächenabschnitten auf die Spreizwalze 3 trifft. Die Positionierwalze 2 ist hierfür mit zwei Positionierscheiben 6 versehen, zwischen denen das zulaufende Faserfilamentbündel 1 aufgenommen und der Spreizwalze 3 definiert zugeführt wird. Die Zugkraft auf das Faserfilamentbündel 1 wird von einer in den Fig. 1-3 nicht näher dargestellten Zugvorrichtung ausgeübt, die in Bezug auf die Fig. 2 und 3 auf der rechten Seite der gezeigten Vorrichtung angeordnet ist und das Faserfilamentbündel 1 in die in der Fig. 1 oder Fig. 3 eingezeichnete Pfeilrichtung zieht. Es stellt sich somit eine Translation des Faserfilamentbündels 1 in die eingezeichnete Pfeilrichtung ein. Zum Aufspreizen des Faserfilamentbündels 1 zu einem flachen Faserband wird das Faserfilamentbündel 1 wie in den Fig. 1-3 gezeigt in aufspreizender Anlage über die Mantelfläche der Spreizwalze 3 gezogen. Das aufgespreizte Faserband

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wird in weiterer Folge über die beiden Führungsstäbe 4.1, 4.2 geführt und anschließend aufgewickelt oder direkt weiterverarbeitet, beispielsweise zu einem sogenannten "Tape".

[0033] Die Spreizwalze 3 selbst ist in der Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 gemäß der vorgenannten dritten Ausführungsform mithilfe von drei repetitiven Abschnitten ausgeführt, indem drei in Umfangsrichtung der Mantelfläche aufeinander folgende Mantelflächenabschnitte vorgesehen sind, die mit jeweils einer Nutenschar 5.1, 5.2, 5.3 versehen sind, wobei eine Nutenschar 5.3 in den Fig. 1-3 aufgrund der Drehstellung der Spreizwalze 3 nicht ersichtlich ist. Aufeinander folgende Mantelflächenabschnitte sind dabei jeweils durch in axialer Richtung verlaufende, nutenfreie Mantelflächenbereiche getrennt, und die Nutenschar 5.1, 5.2, 5.3 eines Mantelflächenabschnittes ist jeweils identisch zu jenen der anderen Mantelflächenabschnitte ausgeführt.

[0034] Diese Ausführung der Spreizwalze 3 ist auch in den Fig. 6a und 6b für zwei unterschiedliche Drehstellungen dargestellt.

[0035] Weitere Ausführungsformen der Spreizwalze 3 sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Fig. 4a und 4b zeigen dabei eine erste Ausführungsform der Spreizwalze 3. Hierbei ist eine einzige Nutenschar 5 vorgesehen, die sich über einen annähernd die gesamte Mantelfläche umfassenden Mantelflächenabschnitt erstreckt. In diesem Fall liegen die Anfangsbereiche und die Endbereiche der Nuten in Umfangsrichtung gesehen vorzugsweise nah beieinander und sind durch einen schmalen, in axialer Richtung verlaufenden, nutenfreien Mantelflächenbereich 7 getrennt, wobei die Nutenschar 5 in den Anfangsbereichen der Nuten eine kleinste axiale Erstreckung E1 aufweist, und in den Endbereichen ihrer Nuten eine größte axiale Erstreckung E-:.

[0036] Die Fig. 5a und 5b zeigen eine zweite Ausführungsform der Spreizwalze 3. Gemäß dieser zweiten Ausführungsform sind drei in Umfangsrichtung der Mantelfläche aufeinander folgende Mantelflächenabschnitte vorgesehen, die mit jeweils einer Nutenschar 5.1, 5.2, 5.3 versehen sind, wobei die aufeinander folgenden Mantelflächenabschnitte jeweils durch in axialer Richtung verlaufende, nutenfreie Mantelflächenbereiche 7.1, 7.2, 7.3 getrennt sind und die Nuten eines Mantelflächenabschnittes eine Fortsetzung der Nuten eines in Umfangsrichtung daneben liegenden Mantelflächenabschnittes darstellen. Diese Ausführungsform kann auch so beschrieben werden, dass eine sich um annähernd die gesamte Mantelfläche erstreckende Nutenschar 5 durch drei nutenfreie Mantelflächenbereiche 7.1, 7.2, 7.3 In eine erste Nutenschar 5.1, eine zweite Nutenschar 5.2 und in eine dritte Nutenschar 5.3 geteilt wird.

[0037] Die Nuten selbst können vorzugsweise jeweils einen dreiecksförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, alternativ sind beispielsweise auch rechteckige, elliptische oder trapezförmige Nutquerschnitte möglich. Die Tiefe einer Nut beträgt dabei vorzugsweise 50-100% ihrer Breite. Die Tiefe einer Nut und die Breite einer Nut liegen vorzugsweise jeweils im Bereich von 0.1-1mm. Die Nutentiefe kann auch über die Länge der Nut variieren, insbesondere im Anfangsbereich und im Endbereich der Nut können stetig verlaufende Übergänge zur Mantelfläche vorgesehen sein.

[0038] Zudem können die Nuten im Einlaufbereich wahlweise einen konstanten oder einen variablen, beispielsweise nach außen hin steigenden Abstand aufweisen. Auch die axiale Versetzung der Nuten kann vorzugsweise nach außen hin zunehmen. Die Nuten sind vorzugsweise relativ zur Mittenebene der Spreizwalze 3 symmetrisch angeordnet.

[0039] Die axiale Erstreckung E11 einer Nutenschar in ihrem Einlaufbereich kann auf das jeweilige Faserfilamentbündel abgestimmt werden, insbesondere auf die Anzahl und den Durchmesser der einzelnen Filamente. Die axiale Erstreckung E; einer Nutenschar in ihrem Auslaufbereich kann auf die gewünschte Bandbreite abgestimmt werden. Die axiale Erstreckung E+1 einer Nutenschar in ihrem Einlaufbereich entspricht vorzugsweise mindestens der Breite des zu spreizenden Faserfilamentbündels. Die axiale Erstreckung E; einer Nutenschar in ihrem Auslaufbereich kann bis zur vollen Walzenbreite gehen. Die Mindestbreite der Spreizwalze 3 wird durch die gewünschte maximale Breite des Faserbandes nach der Spreizung vorgegeben. Dabei ist es nicht nötig, die Breite der Spreizwalze 3 auszunutzen, in der Regel ist die Spreizwalze 3 signifikant breiter als das zu produzierende Faserband.

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[0040] Der Walzendurchmesser kann je nach Anwendung gewählt und auf das Fasermaterial oder das Spreizverhältnis abgestimmt werden. Allgemein zeigt sich, dass größere Durchmesser schonender für die Fasern sind, gleichzeitig aber die Materialkosten steigen. Der optimale Walzendurchmesser ergibt sich somit aus einer Optimierung von zulässiger Faserschädigung und Anlagenkosten.

[0041] Das Design des Aufbaus wird vorzugsweise so gewählt, dass die Umschlingungswinkel der Positionierwalze 2, der Spreizwalze 3 und der Führungsstäbe 4.1, 4.2 den Wert von 90° nicht überschreiten.

[0042] Die Führungsstäbe 4.1, 4.2 können starr ausgeführt sein, oder auch drehbar. Optional kann es auch vorteilhaft sein, die Spreizwalze 3 aktiv zu temperieren, also zu heizen oder zu kühlen. Durch die heizbare oder kühlbare Spreizwalze 3 können jene Temperaturbereiche eingestellt werden, in denen der Spreizvorgang besonders begünstigt wird.

[0043] Die Spreizungsbreite kann in der Vorrichtung gemäß der Fig. 1-3 als Funktion der Translationsgeschwindigkeit des Faserbandes, die extern vorgegeben und üblicherweise konstant ist, relativ zur regelbaren Umfanggeschwindigkeit der rotierenden Spreizwalze 3 stufenlos und flexibel eingestellt werden.

[0044] Dazu wird die Spreizwalze 3 vorzugsweise mit einem stufenlos regelbaren Drehantrieb, beispielsweise einem Elektromotor, ausgestattet. Je nach gewünschtem Spreizgrad und gewünschter Festigkeit der Fasern kann diese aktiv angetriebene Spreizwalze 3 gleichläufig mit der Bewegung des Faserbandes oder auch gegenläufig zur Bewegung des Faserbandes rotieren.

[0045] Alternativ kann die Spreizwalze 3 anstelle des Drehantriebs auch mit einer regelbaren Bremse ausgestattet werden. Die Spreizwalze 3 wird in diesem Fall über die Bewegung des gezogenen Faserbandes passiv angetrieben, und die für die homogene Spreizung über die Nuten erforderliche Relativgeschwindigkeit zur Bandgeschwindigkeit wird über die Bremsintensität geregelt. Mit diesem Aufbau ist offensichtlich nur eine gleichläufige Rotation möglich, was allerdings für die Mehrzahl der Anwendung ausreichend ist.

[0046] Vorzugsweise wird nach der Spreizwalze 3, beispielsweise im Bereich der Führungsstäbe 4.1, 4.2, ein System zur in line-Messung der Bandbreite angeordnet, dessen Messergebnisse direkt zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit der Spreizwalze 3 verwendet werden können. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Laser-Messsystem handeln. Optional ist es in dieser Anordnung auch möglich Qualitätskontrollsysteme zu integrieren, beispielsweise ein Kamerasystem.

[0047] Wie bereits erwähnt wurde ermöglichen diese Maßnahmen eine gute Regelbarkeit des Spreizverfahrens, wobei sich der Regelparameter aus dem Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit der Spreizwalze 3 zur Translationsgeschwindigkeit des Faserbandes ergibt. Dies ermöglicht es wie bereits erwähnt eine von der Eingangsbreite des Faserfilamentbündels 1 weitgehend unabhängige Endbreite des Faserbandes einzustellen. Zudem reduziert die schonende Umlenkung der Fasern und die reduzierte Anzahl an Umlenkungen die Anzahl der Faserbrüche und trägt damit wesentlich zu einer hohen Produktqualität bei gleichzeitig hohem Produkt-Durchsatz bei.

[0048] Mithilfe der Erfindung wird somit das Aufspreizen von Faserfilamentbündel 1 verbessert, indem bei vergleichsweise niedrigem technischen Aufwand ein hoher Durchsatz bei gleichzeitig geringer Faserbelastung und somit geringem Faserbruch ermöglicht wird. Zudem ist eine flexible Regelbarkeit des Spreizprozesses möglich, wodurch eine konstante Produktqualität der erzeugten Faserbänder unabhängig von Eingangsbreitenschwankungen des Faserfilamentbündels 1 sichergestellt werden kann. Aufgrund der leichten Austauschbarkeit der Spreizwalze 3 ist auch eine rasche Umrüstbarkeit auf andere Rovingeigenschaften möglich.

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Claims (14)

A ‚hes AT 528 189 B1 2025-11-15 Ss N Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels (1) zu einem flachen Faserband umfassend eine Spreizwalze (3) mit einer Walzenachse und einer zylindrischen Mantelfläche zur aufspreizenden Anlage des Faserfilamentbündels (1), wobei zumindest ein Mantelflächenabschnitt der zylindrischen Mantelfläche mit einer aus einer Vielzahl von in axialer Richtung nebeneinander liegender Nuten gebildeten Nutenschar (5) versehen ist, und die Nuten jeweils einen Anfangsbereich und einen Endbereich aufweisen und die axiale Erstreckung der Nutenschar (5) sich im Verlauf der Nuten von ihren Anfangsbereichen zu ihren Endbereichen zunehmend erweitert, dadurch gekennzeichnet, dass ein einstellbarer Drehantrieb oder eine einstellbare Drehbremse für die Spreizwalze (3) vorgesehen ist, die jeweils ausgeführt sind eine Relativgeschwindigkeit zwischen der Translationsgeschwindigkeit des einlautenden Faserfilamentbündels und der Umfangsgeschwindigkeit der Spreizwalze einzustellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutenschar (5) von einer senkrecht zur Walzenachse verlaufenden Normalebene in zwei Nutenscharabschnitte geteilt wird, wobei sich die Nuten eines ersten Nutenscharabschnittes von ihrem jeweiligen Anfangsbereich zu ihrem jeweiligen Endbereich mit einer zunehmenden axialen Versetzung in Richtung eines ersten, ihnen näher liegenden Walzenendes um die Walzenachse winden, und die Nuten eines zweiten Nutenscharabschnittes von ihrem jeweiligen Anfangsbereich zu ihrem jeweiligen Endbereich mit einer zunehmenden axialen Versetzung in Richtung eines zweiten, ihnen näher liegenden und dem ersten Walzenende gegenüberliegenden Walzenendes um die Walzenachse winden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutenschar (5) in Bezug auf die Normalebene symmetrisch ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige Nutenschar (5) vorgesehen ist, die sich über einen annähernd die gesamte Mantelfläche umfassenden Mantelflächenabschnitt erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelflächenabschnitt einen Umfangsbereich der Mantelfläche von maximal 355° umfasst.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei in Umfangsrichtung der Mantelfläche aufeinander folgende Mantelflächenabschnitte vorgesehen sind, die mit jeweils einer Nutenschar (5.1, 5.2, 5.3) versehen sind, wobei die aufeinander folgenden Mantelflächenabschnitte jeweils durch in axialer Richtung verlaufende, nutenfreie Mantelflächenbereiche (7.1, 7.2, 7.3) getrennt sind und die Nuten eines Mantelflächenabschnittes eine Fortsetzung der Nuten eines in Umfangsrichtung daneben liegenden Mantelflächenabschnittes darstellen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei in Umfangsrichtung der Mantelfläche aufeinander folgende Mantelflächenabschnitte vorgesehen sind, die mit jeweils einer Nutenschar (5.1, 5.2, 5.3) versehen sind, wobei die aufeinander folgenden Mantelflächenabschnitte jeweils durch in axialer Richtung verlaufende, nutenfreie Mantelflächenbereiche (7.1, 7.2, 7.3) getrennt sind und die Nutenschar (5.1, 5.2, 5.3) eines Mantelflächenabschnittes jeweils identisch zu jenen der anderen Mantelflächenabschnitte ausgeführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten jeweils einen dreiecksförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe einer Nut 50-100% ihrer Breite beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe einer Nut und die Breite einer Nut jeweils im Bereich von 0.1-1mm liegen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spreizwalze (3) beheizbar oder kühlbar ausgeführt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein abführender Führungsstab (4) zum Abführen des Faserbandes vorgesehen ist und die Spreizwalze (3) sowie der zumindest eine Führungsstab (4) parallel zueinander und mit einem Umschlingungswinkel von jeweils maximal 90° angeordnet sind.

13. Verfahren zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels (1) zu einem flachen Faserband mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Faserfilamentbündel (1) mit einer Translationsgeschwindigkeit in aufspreizender Anlage über die Mantelfläche der Spreizwalze (3) gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spreizwalze (3) mithilfe eines Drehantriebes oder einer Drehbremse in eine von der Translationsgeschwindigkeit des Faserfilamentbündels (1) unabhängig einstellbare Rotation versetzt wird.

14. Verfahren zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels (1) zu einem flachen Faserband nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite des Faserbandes gemessen wird und die Rotation der Spreizwalze (3) anhand der gemessenen Bandbreite geregelt wird.

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