-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines harzbeschichteten
und/oder harzgetränkten
Fasergebildes.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein Fasergebilde oder eine Sammlung von
Fasergebilden.
-
Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von harzbeschichteten
und/oder harzgetränkten
Fasergebilden.
-
Fasergebilde
werden beispielsweise in der Form von Rovings (Fasersträngen), Fasergeweben, Fasergewirken,
Fasergelegen, Fasergeflechten oder Faservliesen zur Herstellung
von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt. Beispielsweise werden mit
Hilfe von Fasergebilden carbidkeramische Bauteile hergestellt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines harzbeschichteten und/oder harzgetränkten Fasergebildes bereitzustellen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass ein Ausgangs-Fasergebilde
elektrostatisch aufgeladen wird und Partikel, welche Harz aufweisende
Partikel umfassen, mit entgegengesetztem Ladungsvorzeichen elektrostatisch
aufgeladen werden, das aufgeladene Ausgangs-Fasergebilde mit den
aufgeladenen Partikeln beaufschlagt wird, und anschließend das
Harzmaterial thermisch an dem mit Partikeln belegten Fasergebilde
fixiert wird.
-
Durch
die erfindungsgemäße Lösung lässt sich
ein harzbeschichtetes und/oder harzgetränktes Fasergebilde herstellen,
welches eine nicht klebende (trockene), im Wesentlichen staubfreie
Oberfläche aufweist.
Ein entsprechend hergestelltes Fasergebilde lässt sich auf einfache Weise
bei Raumtemperatur ohne zu verkleben lagern. Für die Herstellung des Fasergebildes
müssen
keine Lösungsmittel
eingesetzt werden, so dass der Aufwand für Schutzeinrichtungen, für die Lösungsmittelentfernung
und für
die Lösungsmittelwiederaufbereitung
vermieden wird.
-
Zuschnitte
können
exakt ohne Verkleben hergestellt werden.
-
Durch
die Aufladung von Ausgangs-Fasergebilde und Partikeln mit entgegengesetztem
Ladungsvorzeichen lässt
sich eine homogene Harzverteilung und damit homogene Beschichtung
erreichen. Es lassen sich Harznester und nicht mit Harz versehene
Bereiche vermeiden. Dadurch lassen sich beispielsweise CFK-Vorkörper mit
homogener Matrixverteilung herstellen.
-
Der
Harzanteil an den Fasergebilden lässt sich reproduzierbar einstellen.
-
Durch
die wirkenden elektrostatischen Kräfte können die harzaufweisenden Partikel
in das Ausgangs-Fasergebilde eindringen, das heißt zwischen einzelne Faserfilamente
eindringen, und anhaften. Durch die entgegengesetzte Ladung von
Partikeln und Ausgangs-Fasergebilde werden die Partikel von dem
Ausgangs-Fasergebilde (Faserhalbzeug) angezogen.
-
Weiterhin
lässt sich
sicherstellen, dass einzelne Fasergebilde beschichtet werden und
nicht zusammenhängende
Fasergebildepakete (wie beispielsweise zusammenhaftende Rovings)
beschichtet werden. Fasergebildepakete können nach dem Schneiden unbeschichteter
Fasergebilde durch Zusammenhaften entstehen und beispielsweise bis
zu 20 Rovings umfassen. Dies macht eine homogene Harztränkung der
einzelnen Rovings durch nachträgliches
Mischen mit Harzpulver unmöglich.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann
dagegen das Schneiden nach der Harzbeschichtung und/oder Harztränkung erfolgen.
-
Die
Partikel, welche Harz aufweisende Partikel umfassen, können dabei
reine Harzpartikel sein und/oder Partikel, welche nicht vollständig aus
Harz bestehen. Solche Partikel können
beispielsweise einen Kern aus einem Nichtharz-Material aufweisen, welcher eine Harzschicht
trägt.
Es ist auch möglich, dass
die Partikel zusätzlich
zu Harzpartikeln oder harzenthaltenden Partikeln weitere Partikel
wie Kunststoffpartikel (wie beispielsweise Thermoplaste) und/oder kohlenstoffhaltige
Partikel (wie Holzpartikel) und/oder Additive wie beispielsweise
SiC, Borverbindungen oder Graphit umfassen. Die Partikelmischung
ist insbesondere angepasst an die spezielle Anwendung.
-
Es
ist dabei grundsätzlich
möglich,
dass die Partikel positiv aufgeladen werden und das Ausgangs-Fasergebilde
negativ aufgeladen wird bzw. die Partikel negativ aufgeladen werden
und das Ausgangs-Fasergebilde positiv aufgeladen wird.
-
Die
hergestellten Fasergebilde lassen sich an einer Vorrichtung auf
effiziente Weise zuschneiden (einschließlich des Zuschnitts über Stanzen), wobei
insbesondere auch ein automatischer Zuschnitt möglich ist. Es können Fasergebilde
beliebiger Länge
hergestellt werden. Es lassen sich beispielsweise Fasern mit einer
Länge von
beispielsweise 10 mm bis 150 mm beschichten und/oder tränken. Es
lassen sich auch Langfasern und Endlosfasern beispielsweise mit
einer Länge
größer 150
mm beschichten.
-
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
erhält
man bessere Resultate als bei bekannten Verfahren wie beispielsweise
Pulverstreuen, Nasslaminieren, Mischen von geschnittenen Fasern
mit Pulverharz und der Herstellung von Prepreg-Materialien über Flüssigharz.
-
Günstig ist
es, wenn das Ausgangs-Fasergebilde durch eine Aufladungsstation
geführt
wird. Dadurch lässt
sich dieses auf definierte Weise elektrostatisch aufladen.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass das Ausgangs-Fasergebilde über mindestens
eine Kontaktrolle geführt
wird. Dadurch lässt
sich dieses gleichmäßig elektrostatisch
aufladen. Die Kontaktrolle ist insbesondere geladen und dreht sich
mit. Die Verwendung der mindestens einen Kontaktrolle ist vorteilhaft,
wenn das Ausgangs-Fasergebilde ein Roving oder ein Gewebe beispielsweise
in Form einer Gewebebahn ist.
-
Es
kann auch vorgesehen sein, dass das Ausgangs-Fasergebilde mit mindestens
einem Metallelement fixiert wird, über welches Ladung auf das Ausgangs-Fasergebilde
aufgebracht wird. Das mindestens eine Metallelement ist beispielsweise
eine Metallklammer. Auf diese Weise lässt sich ein flächiges Ausgangs-Fasergebilde
wie beispielsweise ein Fasergewebe elektrisch laden.
-
Günstig ist
es, wenn das Ausgangs-Fasergebilde mit Partikeln in Pulverform beaufschlagt
wird. Beispielsweise weisen die Pulverpartikel (insbesondere Harzpartikel)
eine Korngröße auf,
die zum größten Teil
kleiner als 0,1 mm und insbesondere kleiner als 0,05 mm ist. Dadurch
lässt sich
eine gleichmäßige Partikelbelegung
des Ausgangs-Fasergebildes erreichen, wodurch sich wiederum eine
gleichmäßige Harzbeschichtung
und/oder Harztränkung
erreichen lässt.
Es kann ein Filter vorgesehen sein, der beispielsweise Partikel
mit einer Größe von 0,25
mm oder darüber
ausfiltert. Durch die Beaufschlagung in Pulverform ist es ferner
noch möglich,
einen definierten Beaufschlagungsstrom einzustellen. Damit lässt sich
die Harzbelegung definiert einstellen.
-
Es
hat sich als günstig
erwiesen, wenn die Korngröße der Partikel
(und insbesondere Harzpartikel) kleiner gleich 0,1 mm und insbesondere
kleiner als 0,05 mm ist. Insbesondere ist eine Mahlfeinheit von
kleiner 20 % bezogen auf Partikel mit einer Korngröße größer 0,05
mm eingestellt, so dass der überwiegende
Anteil von Partikeln (und insbesondere Harzpartikeln) eine entsprechende
Korngröße kleiner als
0,1 mm bzw. kleiner 0,05 mm aufweist.
-
Es
hat sich als günstig
erwiesen, wenn die Harz aufweisenden Partikel Phenolharzpartikel
sind. Entsprechende Harzpartikel sind beispielsweise von der Firma
Bakelite AG, Iserlohn kommerziell erhältlich.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist es vorgesehen, dass das Ausgangs-Fasergebilde mit Partikeln
besprüht
wird. Dadurch lässt
sich eine gleichmäßige Harzbelegung
des Ausgangs-Fasergebildes erreichen. Partikel, welche nicht an
dem Ausgangs-Fasergebilde haften bleiben, können wiederverwendet werden.
-
Um
eine gleichmäßige Harzbelegung
zu erreichen, ist es insbesondere im Zusammenhang mit flächigen Ausgangs-Fasergebilden
günstig,
wenn das Ausgangs-Fasergebilde mindestens zweiseitig mit Partikeln
beaufschlagt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden,
dass Partikel von unterschiedlichen Seiten her auf das Ausgangs-Fasergebilde
aufgebracht werden. Es ist grundsätzlich alternativ oder zusätzlich möglich, dass
das Ausgangs-Fasergebilde in seiner Orientierung bei der Beaufschlagung
geändert
wird.
-
Günstigerweise
wird das Ausgangs-Fasergebilde durch eine Beaufschlagungsstation
geführt, um
dieses mit Partikeln zu belegen.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn ein definierter Beaufschlagungsstrom
an Partikeln einstellbar ist. Dadurch lässt sich die Harzbelegung auf reproduzierbare
Weise einstellen. Dadurch wiederum lassen sich Eigenschaften der
Harzbeschichtung bzw. Harztränkung
wie Harzgehalt einstellen.
-
Ferner
ist es günstig,
wenn das mit Partikeln beaufschlagte Ausgangs-Fasergebilde durch
eine Heizstation geführt
wird. Die Heizstation ist beispielsweise durch einen Ofen oder einen
Heizstrahler gebildet, durch welchen bzw. an welchem vorbei das
mit Harzpartikeln belegte Ausgangs-Fasergebilde geführt wird.
-
Günstig ist
es, wenn das Harz auf das Ausgangs-Fasergebilde aufgeschmolzen wird.
Das Ausgangs-Fasergebilde ist aufgrund der elektrostatischen Anziehung
mit Partikeln belegt, welche Harz aufweisen. An der Heizstation
erfolgt eine Aufschmelzung ohne Aushärtung des Harzes, so dass eine
Fasergebildebeschichtung und/oder -tränkung mit Harzmaterial hergestellt
wird. Die Verfahrensführung
erfolgt dabei so, dass das Harz nicht aushärten kann.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass das beschichtete Fasergebilde geschnitten
wird. Es lässt sich
dann angepasst an die vorgesehene Anwendung zuschneiden. Beispielsweise
lassen sich Kurzfasern herstellen, welche eine Länge unterhalb von 10 mm aufweisen.
Es lassen sich auch Langfasern beispielsweise mit einer Länge von
größer 150
mm herstellen. Es können
auch Gewebe oder dergleichen zugeschnitten werden. Das Zuschneiden
kann auch über
Stanzung flächiger
Fasergebilde erfolgen.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
werden beschichtete Kurzfasern hergestellt. Unter Kurzfaser wird
dabei ein kurzer Faserstrang verstanden, welcher selber eine Mehrzahl
von Faserfilamenten umfasst.
-
Günstigerweise
wird das beschichtete Fasergebilde einer Schneidstation zugeführt, um
einen Zuschnitt und insbesondere kontinuierlichen Zuschnitt durchführen zu
können.
-
Günstig ist
es, wenn das Fasergebilde für das
Beschichtungs-/Tränkungsverfahren
kontinuierlich geführt
wird. Dadurch lässt
sich auf zeitsparende und kosteneffektive Weise ein beschichtetes und/oder
getränktes
Fasergebilde herstellen.
-
Bei
einer Ausführungsform
umfasst das Fasergebilde Kohlenstofffaserfilamente oder kohlenstoffhaltige
Faserfilamente.
-
Das
Fasergebilde ist beispielsweise ein Faserstrang (Roving), welches
einzelne Faserfilamente umfasst. Beispielsweise umfasst ein Roving
1000 bis 24000 Faserfilamente.
-
Es
ist auch möglich,
dass das Fasergebilde ein Fasergewebe oder ein Fasergewirke oder
ein Fasergelege oder ein Fasergeflecht oder ein Faservlies ist.
-
Es
kann auch vorgesehen sein, dass das Ausgangs-Fasergebilde aufgespleißt wird,
um die Umhüllung
mit Harzmaterial und/oder Tränkung
mit Harzmaterial zur Beschichtung der Einzelfilamente zu verbessern.
Die Aufspleißung
kann beispielsweise durch einen definiert eingestellten Luftstrom
oder elektrostatisch erfolgen.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass das oder die hergestellten beschichteten
Fasergebilde bei Wärmezuführung weiterverarbeitet
werden, wobei eine endgültige
Harzumhüllung
und/oder Harztränkung (mit
Umhüllung
von Einzelfilamenten) erfolgt. Beispielsweise erfolgt eine Verpressung
des hergestellten beschichteten und/oder getränkten Fasergebildes oder sie
erfolgt beispielsweise mit dem beschichteten und/oder getränkten Fasergebilde,
einem kohlenstoffhaltigen Material wie zellulosehaltiges Pulver und
Harz. Es kann auch eine Wicklung eines hergestellten harzbeschichteten
und/oder harzgetränkten Fasergebildes
(wie eines Rovings oder Bands) auf einem beheizten Kern vorgesehen
sein, wobei durch die Wärmezufuhr
die Aushärtung
erfolgt.
-
Durch
die Verpressung bzw. durch Aufheizung auf einem Wickelkern kann
flüssiges
Harz zwischen Einzelfilamente dringen und auch diese mindestens
teilweise umhüllen.
-
Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Fasergebilde oder
eine Sammlung von Fasergebilden bereitzustellen, welches bzw. welche auf
einfache Weise handhabbar ist.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das oder die Fasergebilde, welche Faserfilamente umfassen,
mit Harzmaterial beschichtet sind.
-
Durch
die Beschichtung mit Harzmaterial ist das Fasergebilde bzw. die
Sammlung von Fasergebilden bei Raumtemperatur lagerbar. Ferner ist
die Oberfläche
des beschichteten Fasergebildes bzw. der Fasergebilde in der Sammlung
nicht klebrig. Weiterhin ist das Fasergebilde bzw. die Sammlung
von Fasergebilden staubfrei.
-
Beispielsweise
ist das Harzmaterial ein Phenolharz.
-
Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Faserfilamente Kohlenstofffaserfilamente
sind. Es kann sich auch um kohlenstoffhaltige Faserfilamente handeln,
wie beispielsweise Faserfilamente aus Baumwolle, Leinen, Flachs
oder Aramid. Es können
auch PAN-Faserfilamente vorgesehen sein.
-
Günstig ist
es, wenn die Harzverteilung auf einem Fasergebilde im Wesentlichen
homogen ist. Dadurch lässt
sich bei der Verwendung des Fasergebildes oder der Sammlung von
Fasergebilden beispielsweise zur Herstellung eines CFK-Vorkörpers für ein carbidkeramisches
Bauteil verhindern, dass Harznester oder nicht mit Harz getränkte Bereiche vorliegen.
-
Insbesondere
ist ein Fasergebilde trocken beschichtet, wobei diese trockene Beschichtung
beispielsweise durch Aufschmelzen von Harzmaterial entstanden ist.
Dadurch ist die Oberfläche
nicht klebrig und das Fasergebilde oder die Sammlung von Fasergebilden
lässt sich
auf einfache Weise lagern und auch handhaben.
-
Aus
dem gleichen Grund ist es günstig,
wenn das Fasergebilde oder die Sammlung von Fasergebilden im Wesentlichen
frei von Harzstaub ist. Insbesondere ist eine Oberfläche im Wesentlichen
frei von Harzstaub. Dadurch lässt
sich das Fasergebilde oder die Sammlung von Fasergebilden auf einfache
Weise beispielsweise zur Herstellung eines CFK-Bauteils oder eines
CFK-Vorkörpers
für ein
carbidkeramisches Bauteil verwenden.
-
Das
Fasergebilde ist insbesondere ein Fasergelege oder Fasergewirke
oder Faservlies oder Fasergewebe oder ein Fasergeflecht oder ein
Faserstrang (Roving). Die Sammlung von Fasergebilden umfasst entsprechend
mindestens eines dieser Elemente.
-
Günstigerweise
ist dabei das Fasergebilde oder sind die Fasergebilde einer Sammlung
von Fasergebilden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellt.
-
Das
erfindungsgemäße Fasergebilde
oder die erfindungsgemäße Sammlung
von Fasergebilden lässt
sich auf vorteilhafte Weise zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs
oder zur Herstellung eines Ausgangsmaterials für ein carbidkeramisches Bauteil verwenden.
Beispielsweise wird das Fasergebilde oder die Sammlung von Fasergebilden
ohne oder gemeinsam mit einem kohlenstoffhaltigen Material wie zellulosehaltigem
Pulver und Harzpulver verpresst, um einen Vorkörper (Grünkörper) herzustellen, welcher
pyrolysiert wird. Beispielsweise wird aus dem pyrolysierten Körper durch
Carbidbildner-Infiltration ein
carbidkeramisches Bauteil hergestellt.
-
Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Herstellung von harzbeschichteten und/oder harzgetränkten Fasergebilden bereitzustellen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Vorrichtung eine erste Aufladungsstation zur elektrostatischen
Aufladung von Ausgangs-Fasergebilden
umfasst, eine zweite Aufladungsstation zur elektrostatischen Aufladung
von Partikeln, welche Harz aufweisende Partikel umfassen, umfasst,
eine Beaufschlagungsstation zur Beaufschlagung von geladenen Ausgangs-Fasergebilden mit
geladenen Partikeln zur Herstellung von mit Partikeln belegten Fasergebilden
umfasst, und eine Heizstation von Aufschmelzen von Harzmaterial, welches
Fasergebilde belegt, auf die Fasergebilde umfasst.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläuterten
Vorteile auf.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erläutert.
-
Insbesondere
ist die Heizstation der Beaufschlagungsstation nachgeordnet. Dadurch
ist es möglich,
Harz aus harzhaltigen Partikeln, welche das Ausgangs-Fasergebilde belegen,
auf das Fasergebilde aufzuschmelzen.
-
Günstigerweise
ist eine Transporteinrichtung vorgesehen, mittels welcher Fasergebilde
durch die Vorrichtung transportierbar sind und insbesondere kontinuierlich
und vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit transportierbar
sind. Dadurch lassen sich Fasergebilde auf zeiteffektive und kostengünstige Weise
beschichten.
-
Ferner
ist es günstig,
wenn die erste Aufladungsstation mindestens eine Kontaktrolle und/oder mindestens
ein Metallelement zum Halten des Ausgangs-Fasergebildes aufweist. Über die
Kontaktrolle lässt
sich ein Ausgangs-Fasergebilde
führen,
wobei es dann gleichmäßig aufladbar
ist. Durch das mindestens eine Metallelement lässt sich das Ausgangs-Fasergebilde
halten und über
dieses lässt
sich die Ladung aufbringen. Das Metallelement ist beispielsweise
als Klammer ausgebildet. Ein solches Metallelement ist besonders
vorteilhaft, wenn das Ausgangs-Fasergebilde ein flächiges Fasergebilde wie
ein Fasergewebe ist.
-
Es
ist insbesondere günstig,
wenn eine Schneidstation vorgesehen ist. Dadurch lässt sich ein
beschichtetes Fasergebilde auf einfache Weise kontinuierlich zuschneiden.
Es ist dabei möglich,
an einer Vorrichtung integral ein zugeschnittenes Fasergebilde herzustellen,
so dass ein nachfolgender und insbesondere manueller Zuschneidungsschritt
nicht mehr erforderlich ist.
-
Günstigerweise
ist die Schneidstation der Heizstation nachgeordnet. Es lassen sich
dann Fasergebilde zuschneiden, welche trocken beschichtet sind.
Das beschichtete bzw. getränkte
Fasergebilde ist trocken. Es lässt
sich auf einfache Weise zuschneiden, da keine Verklebung der entsprechenden Schneiden
erfolgt. Das Zuschneiden erfolgt beispielsweise über Stanzen. Es ist auch möglich, dass Messerwalzen
eingesetzt werden.
-
Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beaufschlagungsstation so
ausgebildet ist, dass Fasergebilde von mindestens zwei Seiten her
mit Harzpartikeln beaufschlagbar sind. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Belegung
mit Harzpartikeln erreichen.
-
Günstig ist
es, wenn die Beaufschlagungsstation mindestens eine Sprühdüse für Harzpartikel umfasst. Über die
mindestens eine Sprühdüse lassen
sich Harzpartikel auf das Ausgangs-Fasergebilde aufsprühen. Dadurch
wiederum lässt
sich eine gleichmäßige Belegung
erreichen.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass die Beaufschlagungsstation so ausgebildet
ist, dass ein Beaufschlagungsstrom einstellbar ist. Insbesondere
ist ein definierter Beaufschlagungsstrom zusammen mit einer definierten
Vorschubgeschwindigkeit des Fasergebildes einstellbar. Dadurch lässt sich
der Harzanteil an einem Fasergebilde auf reproduzierbare Weise einstellen.
Beispielsweise lässt
sich dadurch die Dicke der Harzbeschichtung bzw. der Harzanteil
am Fasergebilde einstellen.
-
Es
kann eine Aufwickeleinrichtung für
harzbeschichtete und/oder harzgetränkte Fasergebilde vorgesehen
sein. Dadurch lassen sich hergestellte Fasergebilde wie Rovings
auf einfache Weise lagern. Ferner kann über die Aufwicklung eine Aushärtung erfolgen.
-
Es
ist dann insbesondere vorteilhaft, wenn die Aufwickeleinrichtung
einen beheizbaren Wickelkern aufweist. Es lassen sich dadurch Wickelteile herstellen,
wobei bei der Wicklung eine Aushärtung möglich ist.
Es kann zusätzlich
auch noch eine Strahlungsheizung zur Unterstützung der Aushärtung vorgesehen
sein.
-
Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Herstellung von beschichteten und/oder getränkten Fasergebilden; und
-
2 eine
schematische Schnittansicht eines Faserstrangs als Beispiel eines
Fasergebildes, welcher beschichtet ist.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Herstellung von harzbeschichteten und/oder harzgetränkten Fasergebilden,
welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet
ist, umfasst eine Spendestation 12 für Fasergebilde 14.
-
Ein
Fasergebilde ist eine Ansammlung von Fasern(filamenten) mit oder
ohne Schlichte.
-
Ein
Fasergebilde 14 umfasst Fasern(filamente) wie beispielsweise
Kohlenstofffasern oder kohlenstoffhaltige Fasern. Die Fasern(filamente)
sind dabei zusammengefasst. Ein Beispiel für ein Fasergebilde 14 ist
ein Fasergewebe oder Fasergelege oder Fasergewirke oder Fasergeflecht
oder Faservlies. Ein weiteres Beispiel für ein Fasergebilde 14 ist ein
Faserstrang 15 (Roving), welcher in einer Schnittansicht
schematisch in 2 gezeigt ist. Ein Roving ist
ein Bündel
von gestreckten Faserfilamenten. Die Faserfilamente können unverdreht
oder verdreht sein. Sie können
endlos sein oder in der Länge
begrenzt sein (Stapelfasern).
-
Die
Spendestation 12 stellt Ausgangs-Fasergebilde (Fasergebilde-Halbzeug)
bereit. Sie umfasst beispielsweise eine Rolle, auf die Ausgangs-Fasergebilde
aufwickelbar ist. Es kann vorgesehen sein, dass das Ausgangs-Fasergebilde
aufgespleißt
wird, um eventuell eine bessere Harzumhülllung und/oder eine bessere
Harzeindringbarkeit zur Harztränkung zu
erzielen.
-
Die
Vorrichtung 10 umfasst eine Transporteinrichtung 16, über welche
ein Ausgangs-Fasergebilde durch die Vorrichtung 10 zu dessen
Beschichtung führbar
ist. Insbesondere ist die Transporteinrichtung 16 so ausgebildet,
dass das Ausgangs-Fasergebilde kontinuierlich durch die Vorrichtung 10 führbar ist.
Der Transporteinrichtung 16 ist eine Transportrichtung 18 zugeordnet.
-
Der
Spendestation 12 ist in der Transportrichtung 18 fakultativ
eine Heizstation 20 nachgeordnet. Über die Heizstation lässt sich
das Ausgangs-Fasergebilde, wenn gewünscht, thermisch vorbehandeln.
-
Auf
die Heizstation 20 folgt in der Transportrichtung 18 eine
erste Aufladungsstation 22, an welcher das Ausgangs-Fasergebilde
elektrostatisch aufladbar ist. Die erste Aufladungsstation 22 umfasst beispielsweise
eine oder mehrere Kontaktrollen 24, über welche die Ausgangs-Fasergebilde
führbar
und daher elektrostatisch aufladbar sind.
-
Es
ist auch möglich,
dass ein oder mehrere Metallelemente beispielsweise in der Form
von Metallklammern vorgesehen sind, welche zum Halten des Ausgangs-Fasergebildes
dienen, insbesondere wenn dieses flächig ist. Über die Metallelemente lässt sich
Ladung auf das Ausgangs-Fasergebilde übertragen, um dieses elektrostatisch
aufzuladen.
-
Die
erste Aufladungsstation 22 ist so ausgebildet, dass Ausgangs-Fasergebilde
beispielsweise negativ aufgeladen werden.
-
Der
ersten Aufladungsstation 22 ist in der Transportrichtung 18 folgend
eine zweite Aufladungsstation 28 nachgeordnet. Diese zweite
Aufladungsstation 28 dient zur elektrostatischen Aufladung
von Partikeln, welche Harz aufweisende Partikel umfassen, wobei
die Partikel mit entgegengesetzten Ladungsvorzeichen zu dem Ausgangs-Fasergebilde
an der ersten Aufladungsstation 22 aufgeladen werden. Beispielsweise
werden die Partikel positiv aufgeladen.
-
Die
Harz aufweisenden Partikel können
reine Harzpartikel sein und/oder Harz enthaltende Partikel. Es ist
grundsätzlich
auch möglich,
dass zusätzlich
zu den Harzpartikeln bzw. Harz enthaltenden Partikeln Nichtharz-Partikel
zugemischt sind, wie beispielsweise Kunststoffpartikel oder Kohlenstoffpartikel
bzw. kohlenstoffhaltige Partikel. Es können auch weitere Additive
wie SiC und Borverbindungen zugemischt sein.
-
Die
Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Beaufschlagungsstation 30, über welche
aufgeladenen Ausgangs-Fasergebilden aufgeladene Partikel zuführbar sind.
Dadurch lässt
sich dann aufgrund der elektrostatischen Anziehungskräfte ein
Ausgangs-Fasergebilde gleichmäßig mit
entgegengesetzt geladenen, Harz aufweisenden Partikeln homogen belegen.
-
Die
Beaufschlagungsstation 30 umfasst insbesondere eine oder
mehrere Sprühdüsen 32, über welche
aufgeladene Partikel insbesondere in Pulverform sprühbar sind,
um Ausgangs-Fasergebilde mit Partikeln zu belegen.
-
Die
zweite Aufladungsstation 28 ist bezüglich der Beaufschlagungsstation 30 so
angeordnet, dass Partikel nach der elektrostatischen Aufladung direkt
auf ein aufgeladenes Ausgangs-Fasergebilde aufbringbar sind und
insbesondere direkt besprühbar sind.
Insbesondere sind die zweite Aufladungsstation 28 und die
Beaufschlagungsstation 30 in einer kombinierten Aufladungsstation-Beaufschlagungsstation angeordnet.
-
Die
Beaufschlagungsstation 30 ist vorzugsweise so ausgebildet,
dass ein aufgeladenes flächiges
Ausgangs-Fasergebilde von mindestens zwei Seiten her mit Partikeln
beaufschlagbar ist. Dadurch lässt
sich eine gleichmäßige Partikelbelegung
erreichen. Beispielsweise ist es dazu vorgesehen, dass ein Ausgangs-Fasergebilde von
mindestens zwei Seiten her mit aufgeladenen Partikeln besprüht wird.
-
Es
ist grundsätzlich
auch möglich,
dass Ausgangs-Fasergebilde bei der Durchführung durch die Beaufschlagungsstation 30 in
ihrer Orientierung bezüglich
der Beaufschlagungsstation 30 und insbesondere bezüglich der
Sprühdüse 32 verändert werden.
Beispielsweise wird ein Ausgangs-Fasergebilde über die Transporteinrichtung 16 oder
eine getrennte Einrichtung um 180° gedreht.
-
Der
Beaufschlagungsstation 30 ist in der Transportrichtung 18 eine
Heizstation 34 nachgeschaltet. Die Heizstation 34 ist
beispielsweise über einen
Heizstrahler gebildet, an dem ein mit Partikeln belegtes Ausgangs-Fasergebilde
vorbeiführbar
ist.
-
An
der Heizstation 34 wird das Harz aufgeschmolzen. Dadurch
wird an einem Ausgangs-Fasergebilde, welches mit Partikeln belegt
ist, eine dauerhaft fixierte Harzschicht ausgebildet.
-
Die
Beheizung erfolgt dabei so, dass das Harz nur aufgeschmolzen wird
aber nicht aushärten kann.
-
Der
Heizstation 34 folgt in Transportrichtung 18 eine
Schneidstation 36. An der Schneidstation 36 lassen
sich beschichtete Fasergebilde schneiden. Beispielsweise werden
beschichtete Fasergebilde auf eine bestimmte Länge abgeschnitten, um Kurzfasern
herzustellen. Solche Kurzfasern weisen beispielsweise eine Länge unterhalb
von 10 mm auf. (Die Kurzfasern enthalten Faserfilamente 38 in
einem Bündel 40,
wobei das Bündel 40 mindestens teilweise
von einer Harzschicht 42 umgeben ist, wie in 2 schematisch
gezeigt.) Es ist beispielsweise auch möglich, dass an der Schneidstation 36 Fasergewebe
oder Fasergewirke oder Fasergelege oder Fasergeflechte oder Faservliese
in bestimmten Abmessungen zugeschnitten werden, beispielsweise durch
Stanzung.
-
Das
Schneiden kann mechanisch über Schneidemesser
erfolgen. Auch thermisches Schneiden über einen Laser ist möglich.
-
Der
Schneidstation 36 ist eine Auffangeinrichtung 44 nachgeordnet.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
funktioniert wie folgt:
Ein Ausgangs-Fasergebilde wird kontinuierlich
durch die Vorrichtung 10 geführt. Es wird an der ersten
Aufladungsstation 22 elektrostatisch aufgeladen. Harzpartikel,
welche insbesondere in Pulverform vorliegen, werden mit entgegengesetzten
Ladungsvorzeichen an der zweiten Aufladungsstation 28 elektrostatisch aufgeladen.
Diese aufgeladenen Harzpartikel werden auf das aufgeladene Ausgangs-Fasergebilde
gesprüht.
Die Harzpartikel belegen aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft
das Ausgangs-Fasergebilde mit hohem Homogenitätsgrad.
-
Das
Harz wird an der Heizstation 34 auf das Fasergebilde aufgeschmolzen
und dieses dadurch mit dem Harz beschichtet und mindestens teilweise umhüllt.
-
An
der Schneidstation 36 lassen sich Fasergebilde mit bestimmten
Abmessungen – nach
Abkühlung
der Harzbeschichtung – zuschneiden.
-
Als
Harzmaterial wird beispielsweise Phenolharz eingesetzt.
-
Ein
Beispiel für
ein verwendbares Harz ist Phenolnovolak mit Hexa. Ein solches Material,
welches von der Bakelite AG, Iserlohn hergestellt wird, ist kommerziell
erhältlich.
-
Es
ist insbesondere vorgesehen, dass die Harzpartikel eine Korngröße kleiner
0,05 mm aufweisen, wobei die Mahlfeinheit bezogen auf Körner größer 0,05
mm kleiner 20 % und insbesondere kleiner 15 % ist.
-
Die
Vorschubgeschwindigkeit für
das Fasergebilde 14 bei der Durchführung durch die Vorrichtung 10 liegt
bei einer Ausführungsform
bei ca. 4 cm/s.
-
Das
Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind beschichtete und/oder harzgetränkte Fasergebilde oder eine
Sammlung von beschichteten Fasergebilden (wie beispielsweise eine
Sammlung an Kurzfasern). Die Beschichtung ist trocken und nicht
klebrig; durch das aufgeschmolzene Harzmaterial hat man keine Nassbeschichtung.
Ferner sind die Fasergebilde an ihrer Oberfläche staubfrei bezüglich Pulverpartikeln.
Eine Sammlung von Fasergebilden ist dann ebenfalls im Wesentlichen staubfrei.
-
Es
lassen sich Harz aufweisende Kurzfasern ("Kurzfaser-Prepregs") herstellen, welche eine Länge kleiner
10 mm aufweisen. Es lassen sich Fasergebilde herstellen, welche
eine Länge
zwischen beispielsweise 10 und 150 mm aufweisen. Ferner lassen sich
Harz aufweisende Langfasern ("Langfaser-Prepregs") herstellen, welche
beispielsweise eine Länge
größer 150
mm aufweisen. Es lassen sich auch Harz aufweisende Endlosfasergebilde
herstellen. (Unter Fasern werden hier Fasergebilde verstanden, welche
Faserfilamente umfassen.)
-
Die
Harz aufweisenden Fasergebilde ("Fasergebilde-Prepregs") weisen eine homogene
Harzverteilung auf. Insbesondere lassen sich dadurch Harznester
und nicht mit Harz getränkte
Fasern bzw. Fasergebilde bei der Herstellung von Bauteilen vermeiden.
-
Ferner
lässt sich
durch entsprechende Einstellung der Partikelbeaufschlagung und der
Vorschubgeschwindigkeit ein definierter Harzanteil an beschichteten
Fasergebilden einstellen. Diese lassen sich insbesondere reproduzierbar
einstellen.
-
Die
Fasergebilde lassen sich nicht klebend mit weitgehend staubfreier
Oberfläche
herstellen. Dadurch ist die Herstellung der Fasergebilde-Prepregs
vereinfacht und hergestellte Fasergebilde-Prepregs lassen sich einfacher
und insbesondere auch bei Raumtemperatur lagern. Weiterhin lassen
sich die Harzpartikel mit geringer Ausschussquote verwenden.
-
Bei
der Herstellung müssen
keine Lösungsmittel
verwendet werden, so dass der Aufwand für Schutzeinrichtungen sowie
für die
Entfernung von überschüssigem Lösungsmittel
und für
dessen Wiederaufbereitung vermieden ist.
-
Es
lassen sich einzelne mit Harz versehene Fasergebilde beispielsweise
auf der Basis von einzelnen Rovings herstellen. Es ist die Gefahr
vermieden, dass zusammenhängende
Faserpakete als Ganzes äußerlich
beschichtet werden, wie es beim manuellen Mischen von Fasern mit
Pulverharz vorkommen kann.
-
In
der gleichen Vorrichtung 10 lässt sich die Beschichtung und/oder
Tränkung
durchführen
und der Zuschnitt über
die Schneidestation 36. Es ist insbesondere ein automatischer
Zuschnitt möglich.
-
Beispielsweise
lässt sich
Pressgut herstellen, welches beschichtete und/oder getränkte Fasergebilde
(beispielsweise beschichtete Kurzfasern) umfasst. Ferner kann das
Pressgut auch zusätzliches
Harz und kohlenstoffhaltiges Material umfassen. Das Pressgut wird
unter Wärmezuführung verpresst.
Bei diesem Vorgang erfolgt die endgültige Harzumhüllung und
die vollständige
Harztränkung der
Faserfilamente der entsprechenden Fasergebilde.
-
Weiterhin
wird das Pressgut verdichtet und in eine definierte Form gebracht.
Durch die Wärmezufuhr
wird das Harz vernetzt und es entsteht ein faserverstärktes Kunststoffbauteil.
Dieses Kunststoffbauteil kann als solches verwendet werden oder
auch als Vorkörper
für ein
carbidkeramisches Bauteil verwendet werden.
-
Es
ist beispielsweise auch möglich,
dass ein beschichteter Roving auf einen geheizten Kern einer Aufwickeleinrichtung
gewickelt wird. Durch Beheizung des Wickelkerns lässt sich
ein Aufschmelzen des Harzes, ein Tränken des Fasergebildes und
das Aushärten
des Harzes erreichen.
-
Es
wird beispielsweise ein Vorkörper
(Grünkörper) hergestellt,
welcher anschließend
pyrolysiert wird. Nach der Pyrolyse wird beispielsweise eine Carbidbildner-Infiltration
durchgeführt,
um ein carbidkeramisches Bauteil herzustellen.
-
Es
ist beispielsweise auch möglich,
dass ein Faserverbundwerkstoff-Körper
(CFK-Körper)
oder ein C/C-Körper
hergestellt wird, welcher entsprechend verwendet bzw. weiterverarbeitet
wird.
-
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
lassen sich weiterhin nicht klebende, trockene, beschichtete Gewebebahnen
bzw. Gewebezuschnitte als Fasergebilde herstellen. Diese können anstatt klebriger
Prepregs, welche auf der Basis von flüssigen Harzsystemen hergestellt
sind, eingesetzt werden. Die Gewebebahnen bzw. Gewebezuschnitte sind
bei Raumtemperatur lagerfähig
und müssen nicht
in Gefrierräumen
oder Gefriertruhen gelagert werden. Weiterhin lassen sich die Gewebebahnen und
Gewebezuschnitte mit im Wesentlichen homogener Harzverteilung herstellen,
wobei der Harzanteil reproduzierbar ist und mit einer geringen Schwankungsbreite
einstellbar ist.
-
Die
Beaufschlagung von Ausgangs-Fasergebilden an der Beaufschlagungsstation 30 ist
in der Menge der Beaufschlagung einstellbar. Beispielsweise wird
der Volumenstrom der Beaufschlagung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit
eingestellt. Dadurch ist die Harzbelegung reproduzierbar.