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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Prepregs gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs der Patentansprüche
1 beziehungsweise 16.
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Unter
dem Begriff Prepreg wird bekanntermaßen ein Halbzeug bzw. ein Vorprodukt
zur Herstellung von Gegenständen
aus einem Faserverbundmaterial verstanden. Ein Prepreg besteht aus
Endlosfasern und einer ungehärteten
duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffmatrix. Dabei können die
Endlosfasern unidirektional ausgerichtet sein oder als Gewebe oder
Gelege vorliegen. Bei der Kunststoffmatrix handelt es sich üblicherweise
um eine Mischung aus einem Kunstharz, einem Härter sowie einem Beschleuniger.
Des Weiteren können spezielle
Zuschlagstoffe zur Erzeugung weiterer gewünschter Eigenschaften des Prepregs
beigefügt werden.
Als Kunstharze kommen beispielsweise Harze auf der Basis von Epoxidharz
oder Vinylesterharz zur Anwendung.
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Zur
Herstellung von Prepregs werden die Fasern in gewünschter
Weise auf einem Träger
abgelegt und anschließend
mit der Kunststoffmatrix benetzt. Durch Kühlen, bis zum Einfrieren, des
Prepregs wird das chemische Reagieren des Härters mit dem Kunstharz so
lange verhindert, bis das Prepreg zur Herstellung eines Endproduktes
verwendet werden soll. So werden beispielsweise zur Herstellung eines
Faserverbund-Endproduktes mehrere Prepreg-Lagen übereinander geschichtet und
anschließend
zugeschnitten. Durch ein dann folgendes Erwärmen dieses Werkstücks über die
Reaktionstemperatur des Härters
hinaus beginnt der Aushärtevorgang,
der schließlich
zu dem gewünschten
Endprodukt führt.
Sofern diese Erwärmung
in einer Presse sowie in einem AutoklaVen bei atmosphärischem
Unterdruck durchgeführt
wird, lassen sich luftblasenfreie Endprodukte mit sehr hohem Faseranteil
und vergleichsweise geringem Kunststoffmatrixanteil herstellen.
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Um
Prepregs in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess erzeugen
zu können,
muss einer diesbezüglichen
Fertigungsvorrichtung ein Strang aus den genannten Endlosfasern
zugeführt
werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Fasern in der gewünschten
räumlichen
Orientierung verbleiben. Die Faserverteilung soll dabei also üblicherweise
homogen sein. Zudem soll bei der Zuführung und Weiterverarbeitung
des Faserstranges ein möglichst
geringer Faserbruch eintreten.
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Außerdem muss
der Faserstrang mit der genannten Kunststoffmatrix, also der Mischung
von zumindest Kunstharz, Härter
und Beschleuniger, benetzt werden. Dabei ist es wichtig, dass die
Verteilung der Kunststoffmatrix gleichmäßig erfolgt bzw. alle Fasern
des Faserstranges von der Kunststoffmatrix imprägniert werden. Zudem darf nicht
zuviel Kunststoffmatrix auf den Faserstrang gelangen, da dieses
ein seitliches Ablaufes der überschüssigen Flüssigkeit
in unerwünscht
großem
Umfang zur Folge hätte.
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Sofern
der erzeugte Prepreg-Strang in gewünschte Längsstücke geschnitten oder als eine
Rolle aufgewickelt und anschließend
zwischengelagert werden soll, ist der Faserstrang bei der Herstellung des
Prepreg-Stranges bevorzugt an seiner Unterseite und an seiner Oberseite
mit einer Abdeckmaterialbahn abzudecken. Beim Auflegen dieser Abdeckmaterialbahnen
auf den Faserstrang kann es dazu kommen, dass die Fasern der oberen
und/oder der unteren Faserlage des Faserstranges in nicht gewollter Weise
quer zu Längserstreckung
des Faserstranges gefaltet werden. In einen Faserverbund-Endprodukt tragen
derart gefaltete Fasern nur wenig zu den gewünschten Materialeigenschaften
bei, weshalb eine solche Faserfaltung vermieden werden soll.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Prepregs vorzuschlagen, mit
denen die oben beschriebenen technischen Probleme gemeistert werden
können.
So soll insbesondere erreicht werden, dass die Fasern in einer gewünschten
Aus richtung in eine diesbezügliche
Fertigungsvorrichtung gelangen und dort mit einer unteren und einer
oberen Abdeckmaterialbahn belegt werden, dass die noch nicht abgebundene
Kunststoffmatrix in ausreichender Menge zu allen Fasern des Faserstranges
gelangt, dass der Umfang von Faserbruch minimiert wird, und dass
eine Faltung der Fasern quer zur Längserstreckung des Faserstranges
vermieden wird.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den zugeordneten
Unteransprüchen
entnehmbar.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Zusammenführen des
Faserstranges mit einer unteren und/oder einer oberen kunststoffmatrixbelegten
Abdeckmaterialbahn oder einem anderen flexiblen Flächengebilde
auf einem Heiztisch mit einer konvex geformten Oberfläche alle
genannten Anforderungen für
die Herstellung eines optimalen Prepregs erfüllbar sind.
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Die
Erfindung geht daher zur Lösung
der verfahrensbezogenen Aufgabe gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs
aus von einem Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Prepregs,
bei dem ein Faserstrang aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten
Fasern mit einer noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix benetzt
sowie an seiner Oberseite und an seiner Unterseite mit einer Abdeckfolie
oder mit beschichtetem Papier abgedeckt wird, und bei dem der mit
diesem Abdeckmaterial abgedeckte kunststoffmatriximprägnierte
Faserstrang schließlich
als Prepreg in vorbestimmte Längen
abgeschnitten oder zu einer Rolle aufgerollt wird. Gemäß der Erfindung
ist bei diesem Verfahren außerdem
vorgesehen, dass der Faserstrang mit der nicht abgebundenen Kunststoffmatrix
und den beiden Abdeckmaterialbahnen auf einem konvex gekrümmten und
beheizten Heiztisch zusammengeführt
wird.
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In
Ausgestaltung dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass zumindest eine
der beiden Abdeckmaterialbahnen vor deren Kontakt mit dem Faserstrang
auf der zu dem Faserstrang weisenden Seite mit der noch nicht abgebundenen
Kunststoffmatrix beschichtet wird.
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Außerdem ist
das Verfahren bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass der durch die
Abdeckmaterialbahnen abgedeckte Faserstrang auf dem Heiztisch aufgeheizt
sowie mit einer aus der auf den Faserstrang sowie die Abdeckmaterialbahnen
wirkenden Zugkraft und aus der Krümmung der Tischoberfläche resultierenden
Normalkraft derart beaufschlagt wird, dass die Kunststoffmatrix
zu den einzelnen Fasern fließt
und diese benetzt.
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Dadurch,
dass die beiden Abdeckmaterialbahnen dann mit dem Faserstrang zusammengeführt werden,
wenn dieser auf der Oberfläche
des konvex gekrümmten
Heiztisches bewegt wird, wirkt auf diese Compositestruktur eine
vergleichsweise kleine Normalkraftkomponente derjenigen Zugkraft,
mit der der Faserstrang und die beiden Abdeckmaterialbahnen durch
die Fertigungsvorrichtung gezogen werden. Die Zuführung der
Kunststoffmatrix erfolgt zumindest mittels zumindest einer der beiden
Abdeckmaterialbahnen, die auf ihrer zu dem Faserstrang weisenden Seite
mit diesem dickflüssigen
Werkstoff belegt ist. Dadurch, dass der Heiztisch eine im Vergleich
zur Umgebungstemperatur bzw. zur Temperatur der Fasern und der Kunststoffmatrix
erhöhte
Temperatur aufweist, wird die Kunststoffmatrix im Bereich des Heiztisches
dünnflüssiger gemacht,
so dass diese die Fasern imprägnierend
tief in den Faserstrang eindringen kann. Aufgrund der vergleichsweise
geringen Anpresskräfte,
die auf den durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckten Faserstrang
wirken, und dadurch, dass keine Anpressrollen benötigt werden, wird
der Faserbruch vergleichsweise gering gehalten. Schließlich sorgt
das Bewegen der beiden Abdeckmaterialbahnen und der Fasern des Faserstranges
mit der gleichen Geschwindigkeit über den Heiztisch dafür, dass
keine aufgrund von etwaigen Differenzgeschwindigkeiten verursachten
Faserfaltungen quer zur Längserstreckung
des Faserstranges erfolgt.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung dieser Erfindung kann vorgesehen sein,
dass die untere Abdeckmaterialbahn auf der Oberfläche des
Heiztisches und die obere Abdeckmaterialbahn um eine Ablegrolle geführt werden,
bevor diese Abdeckmaterialbahnen mit dem Faserstrang im Bereich
des Heiztisches in Kontakt gelangen. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass
die obere Abdeckmaterialbahn auf ihrer vor der Ablegrolle oben befindliche
Unterseite leicht mit der dickflüssigen
Kunststoffmatrix beschichtet werden kann. Andererseits kann die
untere, ebenfalls kunststoffmatrixbeschichtete Abdeckmaterialbahn
schon vor ihrem Kontakt mit den Fasern des Faserstranges über einen
eingangsseitigen Oberflächenabschnitt des
Heiztisches geführt
werden, auf dem die untere Abdeckmaterialbahn und die darauf befindliche Kunststoffmatrix
erwärmt
werden, wodurch die Viskosität
der Kunststoffmatrix zum besseren Eindringen in den Faserstrang
schon frühzeitig
ansteigt.
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Da
eine vergleichsweise große
linienförmige Kraft
von Andruckrollen auf den zu imprägnierenden Faserstrang bzw.
die darauf abgelegten Abdeckmaterialbahnen vermieden werden soll,
ist gemäß einer weiteren
Ausgestaltung vorgesehen, dass die Auflegkraft der Auflegrolle kleiner
ist als die Normalkraftkomponente derjenigen Zugkraft, mit der der
Faserstrang zusammen mit den Abdeckmaterialbahnen über den
Heiztisch gezogen wird. Durch diese Auslegung wird erreicht, dass
auf den mit den Abdeckmaterialbahnen versehenen Faserstrang nur
vergleichsweise geringe Anpresskräfte wirken, mit deren Hilfe die
noch flüssige
Kunststoffmatrix in die Tiefe des Faserstranges befördert wird.
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Von
Bedeutung ist in diesem Zusammenhang auch, dass die Anwendung dieser
vergleichsweise geringen Normalkräfte bzw. Anpresskräfte über eine
relativ lange Wegstrecke entlang des Heiztisches bzw. über einen
vergleichsweise langen Zeitraum aufrechterhalten werden. Begünstigt wird
die Imprägnierung
der Fasern des Faserstranges durch die weitere Funktion des Heiztisches,
welcher die Fasern, die Abdeckmaterialbahnen sowie die Kunststoffmatrix
aufheizt und letztere damit dünnflüssiger macht
als außerhalb
desselben.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Heiztisch
derart beheizt wird, dass er zumindest drei unterschiedliche Heizzonen auf weist.
Der Begriff Heizzone bezieht sich hierbei auf solche Bereiche des
Heiztisches, unter oder in denen Heizvorrichtungen angeordnet sind.
Benachbarte Bereiche werden ebenfalls mit erwärmt, jedoch unterliegt dies
keiner gezielten Temperaturregelung.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass eine eingangsseitige Heizzone des Heiztisches
eine mittlere Oberflächentemperatur
zwischen 80°C
und 120°C, vorzugsweise
zwischen 90°C
und 110°C
aufweist, dass eine mittlere Heizzone eine mittlere Oberflächentemperatur
zwischen 130°C
und 170°C,
vorzugsweise zwischen 140°C
und 160°C
aufweist, und dass eine ausgangsseitige Heizzone des Heiztisches eine
mittlere Oberflächentemperatur
zwischen 60°C und
90°C, vorzugsweise
zwischen 70°C
und 90°C aufweist.
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die eingangsseitige Heizzone
des Heiztisches eine mittlere Oberflächentemperatur von 100°C aufweist,
die mittlere Heizzone eine mittlere Oberflächentemperatur von 150°C hat, und
die ausgangsseitige Heizzone eine mittlere Oberflächentemperatur
von 80°C
aufweist.
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Durch
diese Temperaturführung
des auf der Oberfläche
des Heiztisches geführten
und abgedeckten Faserstranges wird die Kunststoffmatrix so beeinflusst,
dass diese in der eingangsseitigen Heizzone auf eine mittlere Viskosität, in der
mittleren Heizzone auf eine hohe Viskosität und in der ausgangsseitigen Heizzone
auf eine vergleichsweise geringe Viskosität hat. Auf diese Weise wird
die Benetzung aller Fasern des Faserstranges mit der flüssigen Kunststoffmatrix erreicht
und ausgangsseitig des Heiztisches die Viskosität der Kunststoffmatrix so eingestellt,
dass sich das dann erreichte Verhältnis von Fasern und Kunststoffmatrix
nicht gravierend verändert.
Ein günstiger Faseranteil
im später
fertigen Faserverbund-Endprodukt von 50% bis 60% ist so erreichbar.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass
der durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und harzmatrixdurchdrungene
Faserstrang unmittelbar hinter dem Heiztisch eine mittlere Temperatur
zwischen 60°C
bis 90°C
aufweist.
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Um
die Viskosität
der Kunststoffmatrix auf der unteren Abdeckmaterialbahn möglichst
schon bei dem ersten Kontakt derselben mit dem Faserstrang vergleichsweise
hoch eingestellt zu haben, sieht eine weitere Variante des Verfahrens
vor, dass dort, wo die untere Abdeckmaterialbahn erstmals den Heiztisch
berührt,
die Oberfläche
des Heiztisches eine mittlere Temperatur von 40°C bis 90°C aufweist.
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Zur
weiteren Stabilisierung des Systems aus Fasern, Abdeckmaterialbahnen
und Kunststoffmatrix während
der Produktion des Prepreg-Stranges wird es als vorteilhaft erachtet,
wenn der durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und harzmatrixdurchdrungene
Faserstrang in Transportrichtung hinter dem Heiztisch über einen
Kühltisch
geführt
und dort abgekühlt
wird. Dabei wird der durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und
harzmatrixdurchdrungene Faserstrang derartig abgekühlt, dass
dieser in Transportrichtung hinter dem Kühltisch eine mittlere Temperatur
zwischen 15°C
und 35°C
aufweist, welches zunächst
ausreicht, um ein Aushärten der
Kunststoffmatrix zu verhindern.
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Als
optimale Transportgeschwindigkeit des Faserstranges und der Abdeckmaterialbahnen
hat sich bei einer Heiztischlänge
von etwa 3 Metern und den genannten Heiztischtemperaturen ein Wert
von 0,05 m/s bis 0,2 m/s als praktikabel erwiesen.
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Um
eine möglichst
glatte Oberfläche
des Prepregs zu erzielen, kann in Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen sein, dass der durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und
harzmatrixdurchdrungene Faserstrang im Bereich des auslaufseitigen
Endes des Heiztisches von zumindest einer Glättrolle mit einer Kraft beaufschlagt
wird, die kleiner oder gleich groß ist wie die Auflagekraft
der Auflegrolle und kleiner ist als die Normalkraftkomponente der
Zugkraft auf den durch die Abdeckmaterialbahnen bedeckten Faserstrang. Durch
diese Krafteinstellung wird erreicht, dass sich nichts an der erreichten
vorteilhaften Prepreg-Struktur ändert,
sondern dass lediglich die obere Abdeckmaterialbahn, sofern nötig, geglättet wird.
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Hinsichtlich
der Fasern des Faserstranges sei darauf hingewiesen, dass diese
unidirektional ausgerichtet oder als Gewebe oder als Gelege angeordnet
sein können,
ohne dass die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile verloren
gehen. Gleiches gilt für
die konkrete Zusammensetzung der Kunststoffmatrix und/oder den Werkstoff
der Fasern, die beispielsweise als Glasfasern, Carbonfasern oder Aramidfasern
ausgebildet sein können.
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Die
untere Abdeckmaterialbahn besteht bevorzugt aus einer Kunststofffolie
und die obere Abdeckmaterialbahn bevorzugt aus einem beschichteten
Papiermaterial.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, mit der das gerade geschilderte
Produktionsverfahren durchführbar
ist. Gemäß den Merkmalen
des unabhängigen
Vorrichtungsanspruchs geht die Erfindung diesbezüglich aus von einer Vorrichtung
zur Herstellung von Prepregs aus einem Faserstrang mit zumindest
parallel zueinander ausgerichteten Fasern und mit zwei kunststoffmatrixbelegbaren
Abdeckmaterialbahnen. Diese Vorrichtung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet
durch:
- – einen
Heiztisch und eine Ablegrolle zur Führung und Ablage einer oberen
Abdeckmaterialbahn auf den Faserstrang,
- – eine
konvex gekrümmte
Heiztischoberfläche
zur Führung
einer unteren Abdeckmaterialbahn und des Faserstranges, und
- – zumindest
drei Heizzonen an dem Heiztisch zum Aufheizen der Abdeckmaterialbahnen,
der Kunststoffmatrix und des Faserstrangs,
- – wobei
die Krümmungsgeometrie
der Oberfläche des
Heiztisches sowie die Oberflächentemperaturen
der zumindest drei Heizzonen derart gewählt sind, dass die Normalkraftkomponente
einer auf den Faserstrang und die beiden Abdeckmaterialbahnen wirkenden
Zugkraft die flüssige
Kunststoffmatrix von zumindest einer der Abdeckmaterialbahnen zu
den Oberflächen
aller Fasern im Faserstrang führt.
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Gemäß einer
Ausgestaltung dieser Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Ablegrolle
oberhalb der ersten, eingangsseitigen Heizzone des Heiztisches angeordnet
ist. Außerdem
dient diese Ablegrolle zur Umlenkung der Bewegungsrichtung der oberen
Abdeckmaterialbahn.
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Des
Weiteren wird es als vorteilhaft beurteilt, wenn vor der eingangseitig
ersten Heizzone ein konvex gekrümmter
Abschnitt des Heiztisches vorhanden ist, auf dessen Oberfläche die
untere Abdeckmaterialbahn führbar
ist, der mittelbar von der ersten Heizzone mit beheizbar ist, und
dessen Temperatur unterhalb der Temperatur der ersten Heizzone bleibt. Auf
diesem eingangseitigen Abschnitt des Heiztisches kann die Kunststoffmatrix
auf der unteren Abdeckmaterialbahn frühzeitig erwärmt und so deren Viskosität erhöht werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Fertigungsvorrichtung kann vorgesehen
sein, dass im Bereich des ausgangseitigen Endes des Heiztisches
zumindest eine Glättrolle
derart angeordnet ist, dass diese mit einer vergleichsweise geringen Glättkraft
auf die Oberseite des mit der oberen Abdeckmaterialbahn belegten
kunststoffmatriximprägnierten
Faserstranges pressbar ist.
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Außerdem ist
es vorteilhaft, wenn in Transportrichtung gesehen hinter dem Heiztisch
ein Kühltisch
zur Abkühlung
des mit den Abdeckmaterialbahnen abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten
Faserstranges angeordnet ist.
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Schließlich ist
diese Vorrichtung bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass in Transportrichtung gesehen
vor der Auflegrolle bzw. vor dem eingangseitigen Abschnitt des Heiztisches
jeweils eine Zuführvorrichtung
zur Beschichtung wenigstens einer der Abdeckmaterialbahnen mit einer
Kunststoffmatrix angeordnet ist.
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Zur
weiteren Verdeutlichung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel
beschrieben. In der beigefügten
einzigen Zeichnungsfigur ist eine Fertigungsvorrichtung 1 gemäß der Erfindung
schematisch dargestellt. Mit dieser Fertigungsvorrichtung 1 ist
in einem kontinuierlichen Herstellprozess ein Prepreg-Strang 11 herstellbar,
der entweder zu einer Rolle aufgewickelt oder in Stücke gewünschter
Länge abgeschnitten
werden kann.
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Um
diesen Prepreg-Strang herzustellen, wird der Fertigungsvorrichtung 1 ein
Faserstrang 2 aus einer Mehrzahl von Kunstfasern zugeführt, die
in dem hier gewählten
Beispiel als parallel zueinander ausgerichtete Glasfasern ausgebildet
sind. Der Fertigungsvorrichtung 1 werden zudem eine obere
Abdeckmaterialbahn 3 und eine untere Abdeckmaterialbahn 4 zugeführt, welche
mittels Zuführvorrichtungen 12, 13 mit
einer noch flüssigen
Kunststoffmatrix 14 beschichtet werden. Die Beschichtung
mit der Kunststoffmatrix 14 erfolgt dabei derart, dass
diejenige Seite der beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 belegt
wird, welche später
in Kontakt mit dem Faserstrang 2 gelangt.
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Das
Zusammenführen
des Faserstranges 2 und der beiden mit der Kunststoffmatrix 14 belegten Abdeckmaterialbahnen 3, 4 erfolgt
auf einer konvex gekrümmten
Oberfläche 15 eines
Heiztisches 6 im Bereich einer ersten Heizzone S1 von drei
Heizzonen S1, S2 und S3 desselben. Diese Heizzonen sind mit einer
nicht dargestellten elektrischen Heizung oder Warmwasserheizung
ausgestattet, welche eine vergleichsweise genaue Einstellung der
Oberflächentemperatur
der Heiztischoberfläche 15 in
den jeweiligen Heizzonen ermöglichen.
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Vor
dem Zusammenführvorgang
wird die obere Abdeckmaterialbahn 3 über eine Ablegrolle 5 geführt, so
dass sich die mit der Kunststoffmatrix 14 belegte Oberfläche der
oberen Abdeckmaterialbahn 3 in Richtung zum Faserstrang 2 wendet.
Die untere Abdeckmaterialbahn 4 wird abweichend davon über einen
eingangsseitigen Abschnitt 16 des Heiztisches 6 geführt, welcher
axial vor der ersten Heizzone S1 ausgebildet ist und von der Heizung
der ersten Heizzone S1 nur mittelbar mit beheizt wird. Beim Überstreichen
der etwa T1 = 50°C
heißen Heiztischoberfläche 15 in
diesem eingangsseitigen Abschnitt 16 wird die untere Abdeckmaterialbahn 4 und
die darauf befindliche Kunststoffmatrix bereits erwärmt, so
dass sich deren Viskosität
erhöht.
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Das
Zusammenführen
des Faserstranges 2 mit den beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 erfolgt wie
erwähnt
im Bereich der ersten Heizzone S1, in der die Oberflächentemperatur
des Heiztisches 6 etwa 100°C beträgt. Dabei legt die Ablegrolle 5 die obere
Abdeckmaterialbahn 3 mit einer vergleichsweise geringen
Ablegkraft F1 auf, welche weitgehend keine Presswirkung auf den
darunter liegenden Faserstrang 2 hat.
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Der
Transport der Kunststoffmatrix 14 von der oberen und der
unteren Abdeckmaterialbahn 3, 4 in die Tiefe des
Faserstranges 2 hin zu jeder einzelnen Faser erfolgt im
Wesentlichen hinter der Ablegrolle 5, wenn die Kompositstruktur
aus Faserstrang 2, Abdeckmaterialbahnen 3, 4 und
Kunststoffmatrix 14 mit einer auf diese wirkende Zugkraft
F6 über
den konvex gekrümmten
Heiztisch 6 mit seinen drei unterschiedlichen Heizzonen
S1, S2 und S3 gezogen wird. Da dieser mit den Abdeckmaterialbahnen
belegte Faserstrang 2 über
die konvex gekrümmte Heiztischoberfläche 15 gezogen
und hinsichtlich seiner Bewegungsrichtung dieser konvexen Geometrie folgt,
resultiert aus der Zugkraft F6 eine Normalkraft F2, welche die beiden
Abdeckmaterialbahnen 3, 4 mit ihrer Kunststoffmatrix 14 und
die Fasern des Faserstranges 2 gegen den Heiztisch drücken. Dabei durchdringt
die erhitzte Kunststoffmatrix 14 den Faserstrang 2,
so dass alle seine Fasern schonend und vergleichsweise langsam imprägniert werden.
Eine ausreichend große
Tischlänge
verbunden mit einer auch diesbezüglich
angepassten Transportgeschwindigkeit V sorgen dafür, dass
trotz der vergleichsweise geringen Normalkraft F2 der Faserstrang 2 vollständig von
der Kunststoffmatrix 14 durchdrungen wird.
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Dadurch,
dass bei dem Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit
der Kunststoffmatrix 14 keine Anpress- oder Kalanderwalzen
mit vergleichsweise hohen Anpressdrücken verwendet werden, ist
der zu verzeichnende Faserbruch vorteilhaft klein. Da alle Fasern
des Faserstranges 2 sowie die obere Abdeckmaterialbahn 3 und
die untere Abdeckmaterialbahn 4 mit der gleichen Geschwindigkeit über den Heiztisch 6 gezogen
werden, entstehend keine bzw. nur eine vernachlässigbare Relativgeschwindigkeiten
dieser Elemente gegeneinander, so dass die eingangs erläuterte Faserfaltung
nicht oder nur unwesentlich auftritt.
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Um
die Verweildauer auf dem Heiztisch 6 zu minimieren oder
um den Heiztisch vergleichsweise kurz bauen zu können, ist dieser mit den bereits
genannten drei Heizzonen S1, S2, S3 versehen. Diese Heizzonen ermöglichen
eine systematische Temperaturführung
insbesondere der Kunststoffmatrix 14, wobei zunächst eine
gezielte Temperaturerhöhung und
damit Viskositätserhöhung durchgeführt wird, welche
das Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit der Kunststoffmatrix 14 erleichtert.
Anschließend
wird die Temperatur wieder reduziert.
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In
dem hier beschriebenen Beispiel beträgt die Oberflächentemperatur
des Heiztisches 6 in der eingangsseitigen Heizzone S1 etwa
100°C, in
der dann folgenden zweiten Heizzone S2 etwa 150°C und in der ausgangsseitigen
dritten Heizzone S3 etwa 80°C.
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In
Transportrichtung gesehen hinter der Ablegrolle 5 sind
an der Fertigungsvorrichtung drei Glättrollen 7, 8 und 9 angeordnet,
die mit einer vergleichsweise geringen Auflagekraft bzw. Glättkraft F3,
F4, F5 auf die Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 drücken und
dadurch ein Glätten
derselben durchführen.
Ein solches Glätten
der Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 kann sinnvoll
sein, da die Ablegkraft F1 der Ablegrolle 5 verhältnismäßig gering
ist.
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Beim
Verlassen des Heiztisches 6 beträgt die mittlere Temperatur
T5 des folienbedeckten und kunststoffmatrixdurchtränkten Faserstranges 2 in diesem
Ausführungsbeispiel
etwa 60°C.
Um diese Temperatur weiter abzusenken und um insbesondere das chemische
Reagieren des Härters
mit dem Kunstharz der noch flüssigen
Kunststoffmatrix 14 zu verhindern bzw. zu stoppen, wird
dieser Faserstrang 2 über
die gekühlte
Oberfläche
eines Kühltisches 10 gezogen,
an dessen Ende der Faserstrang als nun fertiger Prepreg-Strang 11 eine
mittlere Temperatur T6 von etwa 20°C aufweist. Anschließend wird
der Prepreg-Strang in Stücke
definierter Länge
abgeschnitten oder zu einer Rolle aufgewickelt. Die Abdeckmaterialbahnen 3, 4 ermöglichen
ein problemloses Abwickeln von der Rolle oder ein Vereinzeln von gestapelten
Prepregs.
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- 1
- Fertigungsvorrichtung
- 2
- Faserstrang;
Faser
- 3
- Obere
Abdeckmaterialbahn
- 4
- Untere
Abdeckmaterialbahn
- 5
- Auflegrolle
- 6
- Heiztisch
- 7
- Glättrolle
- 8
- Glättrolle
- 9
- Glättrolle
- 10
- Kühltisch
- 11
- Prepreg,
Prepreg-Strang
- 12
- Zuführvorrichtung
für die
flüssige
Kunststoffmatrix
- 13
- Zuführvorrichtung
für flüssige Kunststoffmatrix
- 14
- Flüssige Kunststoffmatrix
- 15
- Heiztischoberfläche
- 16
- Eingangseitiger
Abschnitt des Heiztisches
- T1
- Oberflächentemperatur
des eingangsseitigen Abschnitts 16
- S1
- Heizzone
- S2
- Heizzone
- S3
- Heizzone
- T5
- Temperatur
des Prepreg-Stranges ausgangsseitig
- T6
- Temperatur
des Prepreg-Stranges hinter dem Kühltisch
- V
- Geschwindigkeit
- F1
- Auflegekraft
der Auflegrolle 5
- F2
- Normalkraftanteil
der Zugkraft F6 auf den Strang
- F3
- Andrückkraft
der Glättrolle 7
- F4
- Andrückkraft
der Glättrolle 8
- F5
- Andruckkraft
der Glättrolle 9
- F6
- Zugkraft