DE102010045428A1

DE102010045428A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Transport eines Faserstranges aus Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102010045428A1
Application number: DE102010045428A
Authority: DE
Inventors: Stefan Konrad
Original assignee: Benteler SGL GmbH and Co KG
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: DE102010045428B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Transport eines Faserstranges (2) mit gleichzeitiger Möglichkeit, den Faserstrang (2) während des Transportes mit einem Matrixharz (17) zu versehen. In der Folge stellt sich an einem Verarbeitungsort ein verarbeitungsfertiger Faserverbundwerkstoff (20) ein, der eine homogene Verteilung der Verbundwerkstoffe besitzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Transport eines Faserstrangs zu einem Verarbeitungsort gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Transport und Benetzen eines Faserstrangs mit Matrixharz gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 8.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Bauteile in verschiedenen Industriezweigen oft mit Faserverbundwerkstoffen verstärkt werden oder gar alleine aus Faserverbundwerkstoff hergestellt werden. Zur automatisierten Produktion ist es notwendig, dass der Faserverbundwerkstoff zu dem Verarbeitungsort befördert wird. Aufgrund der Tatsache, dass der Faserverbundwerkstoff in den meisten Fällen mit einem flüssigen Matrixharz versehen ist, gestaltet sich der Transport besonders schwierig.
Es gilt zum einen, die sensiblen Fasern der Faserstränge bzw. Gewebematten oder Fasermatten nicht zu beschädigen, zu verletzen oder aber deren Orientierung zu ändern, zum anderen muss das flüssige und klebrige Matrixharz homogen in den Fasern verteilt sein und gleichzeitig transportabel sein.
Herkömmliche Transport- und Verarbeitungsmethoden haben den Nachteil, dass sie aufgrund der flüssigen Transportform bzw. der Komplikation mit dem Transport von Fasersträngen schmutzanfällig und wartungsintensiv sind. Auch sind mit herkömmlichen Transportmethoden nur Transportstrecken von wenigen Metern überwindbar.
Aus der EP 1 215 022 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs aus Endlosfasern und Kunststoff bekannt. Hierzu wird eine Faser oder aber Fadenanordnung von einer Vorratsstelle abgezogen und mit Partikeln aus Kunststoff imprägniert, wobei anschließend zumindest ein Teil der Partikel zu einer Matrix umgeschmolzen wird. Die Partikel werden in flüssiger Form suspendiert, auf die Faser oder Fadenanordnung aufgesprüht und in einem anschließenden Trocknungsschritt der weiteren Verarbeitung zugeführt. Überschüssige aufgespritzte Flüssigkeit wird abgeführt. Der Prozess eignet sich zu einer geradlinigen Förderung von Fasergewebe.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ausgehend vom Stand der Technik, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transport von Fasersträngen bereit zu stellen, bei denen es möglich ist, gleichzeitlich den Faserstrang als verarbeitungsfertigen Verbundwerkstoff bereit zu stellen, wobei unter produktionstechnisch kostengünstigen Bedingungen der Transport auch über große Strecken und ungerade Transportwege ermöglicht wird.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Transport eines Faserstrangs mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Der vorrichtungstechnische Anteil der Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Transport und Benetzen eines Faserstrangs mit Matrixharz gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Transport eines Faserstrangs zu einem Verarbeitungsort beinhaltet einen Verfahrensschritt, bei dem der Faserstrang während des Transports als Verbundwerkstoff verarbeitungsfertig vorbereitet wird. Er ist erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

– Bereitstellen des Faserstrangs auf einem Wickelkörper in einem Behälter,
– Ausbringen des Faserstrangs aus dem Behälter in einen Transportkanal und pneumatischer Transport durch den Transportkanal,
– Hinzufügen von Matrixharz während des Transports durch den Transportkanal.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet den Vorteil, dass durch den pneumatischen Transport des Faserstrangs ein Transport des Faserstrangs über weite und auch ungerade Strecken möglich ist, ohne sich negativ auf die Struktur des Faserstrangs auszuwirken. Das Hinzufügen von Matrixharz während des Transports durch den Transportkanal ermöglicht es, den durch das Matrixharz und den Faserstrang entstehenden Verbundwerkstoff verarbeitungsfertig derart vorzubereiten, dass er an seinem Verarbeitungsort direkt eingesetzt werden kann. Durch den pneumatischen Transport wird sichergestellt, dass auch ein bereits mit Matrixharz angereicherter Faserstrang produktionssicher ohne die Produktionsanlage unnötig zu verschmutzen an den Verarbeitungsort befördert werden kann.
Im Rahmen der Erfindung ist unter einem Faserstrang die Anordnung eines Faserstrangs in länglicher Form zu verstehen. Hierbei kann es sich um einzelne Filamente, um Faserbündel, um Faserstränge, um Rovings, um geflechtete Faserfilamente, um Flachfasern oder aber auch um Gewebematten handeln. Ein Faserstrang ist vorzugsweise ein Werkstoff zum Herstellen von Verbundwerkstoffen. Hierbei kommen besonders bevorzugt Glasfasern, Carbonfasern, Aramidfasern, Keramikfasern, Metallfasern oder verwandte Faserstränge zum Herstellen von Verbundwerkstoffen zum Einsatz. Im Wesentlichen werden Faserstränge verwendet, die mit mindestens einem weiteren Medium, beispielsweise einem Matrixharz, den Verbundwerkstoff ausbilden.
Zunächst wird der Faserstrang im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Wickelkörper bereitgestellt. Der Wickelkörper ist beispielsweise eine Spule, vorzugsweise eine Endlosspule, ein Coil oder ähnliches. Der Wickelkörper mit dem aufgewickelten Faserstrang wird dann in einem Behälter angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen druckdichten Behälter.
Ist der Wickekörper mit dem aufgewickelten Faserstrang angeordnet, beginnt der Transport des Faserstrangs durch ein pneumatisches Ausbringen des Faserstrangs aus dem Behälter selber. Hierbei wird der Faserstrang selbst mit einer pneumatischen Kraft derart beaufschlagt, dass er aus dem Behälter ausgebracht wird. Dabei wickelt sich automatisch gleichzeitig der Faserstrang von dem Wickelkörper ab. Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich, die Transportgeschwindigkeit mittels der pneumatischen Kraft derart anzupassen, dass jeweils die gewünschte Transportgeschwindigkeit bzw. die gewünschte Fördergeschwindigkeit des Faserstrangs sichergestellt wird. Insbesondere aufgrund der Tatsache, dass sich der Wickelkörper bei unterschiedlichen Abwicklungsgraden aufgrund unterschiedlichen Radien langsamer bzw. schneller drehen muss, damit eine konstante Transportgeschwindigkeit sichergestellt ist.
Im weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird der Faserstrang durch einen Kanal transportiert. Dieser Transport erfolgt ebenfalls pneumatisch. Aufgrund des pneumatischen Ausbringens und des pneumatischen Transports des Faserstrangs ist es hier im Rahmen der Erfindung insbesondere möglich, auf Produktionsschwankungen derart zu reagieren, dass sie die Transportgeschwindigkeit und die kontinuierliche Förderung des Faserstrangs nur unwesentlich beeinflussen. Ein weiterer Vorteil des pneumatischen Ausbringens und des pneumatischen Transports ist, dass der Faserstrang im Wesentlichen keinen Kontakt mit den jeweiligen Transportvorrichtungen hat. Ein abrasiver Verschleiß der gesamten Transportanlage wird somit weitestgehend vermieden. In der Folge können kostengünstigere Werkstoffe zur Herstellung der Transportanlage gegenüber herkömmlichen Transportmethoden eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird das Fasermaterial durch Druck aus dem Behälter ausgebracht. Hierbei ist der Behälter im Wesentlichen druckdicht ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Behälter mit einem Innendruck beaufschlagt wird, der im Gegensatz zum Atmosphärendruck der jeweiligen Umgebung divergent ist. Vorzugsweise wird hier mit einem Überdruck gearbeitet, es kann aber auch mit einem Unterdruck gearbeitet werden.
Im Falle der Verwendung eines Überdrucks wird der gesamte Behälter unter Druck gesetzt. Bei einem Umgebungsdruck von 1 bar wird der Behälter selbst mit einem Überdruck kleiner 1 bar beaufschlagt, so dass sich der Absolutdruck im Behälter im Bereich größer 1 bar und kleiner 2 bar bewegt. Es kann jedoch auch mit Überdrücken von mehr als 1 bar gearbeitet werden. Der Behälter weist eine Austrittsöffnung, vorzugsweise eine Austrittsdüse auf, durch die der Druck aus dem Behälter langsam ausströmen kann. Im Falle des Ausströmens entsteht in der Austrittsdüse eine Gasströmung, die eine Kraft auf den Faserstrang überträgt und diesen auf diese Weise aus dem Behälter ausbringt.
Im Falle eines Unterdrucks würde an der Austrittsdüse ebenfalls eine Strömung erzeugt, die wiederum den Faserstrang transportiert. Im Bereich des Austritts des Behälters entsteht somit ein Sog. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, die Austrittsströmung derart anzupassen, dass sich zunächst der Faserstrang von dem Wickelkörper abwickelt. Durch gezielte Druckbeaufschlagung bzw. Regelung und Steuerung des Drucks ist es im Rahmen der Erfindung dann möglich, die Austrittsgeschwindigkeit der Strömung im Bereich der Austrittsdüse derart zu regeln, dass gleichzeitig die Transportgeschwindigkeit des Faserstrangs gezielt gesteuert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird der Faserstrang durch einen Gasstrom aus dem Behälter ausgebracht. Unter einem Gasstrom ist im Rahmen der Erfindung eine gezielt gerichtete Gasströmung zu verstehen. Diese Gasströmung kann durch eine Turbine erzeugt und durch Umlenkungen in gezielte Richtungen geleitet werden. Besonderes bevorzugt wird der Gasstrom in den Bereich der Austrittsöffnungen gelenkt. Hierdurch erfährt der Faserstrang im Bereich der Austrittsöffnungen eine Förderung. Der Gasstrom kann aber innerhalb des Behälters selber oder aber außerhalb des Behälters angeordnet sein.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann die Temperatur des Gases geregelt werden. Durch eine Temperaturregelung ändern sich die thermodynamischen Eigenschaften des Gases, was sich wiederum auf die Strömungsgeschwindigkeit sowie die Reibungseigenschaften des Gases an dem Faserstrang bzw. an der Innenseite der Transportkanäle auswirkt.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ist, dass durch die Gastemperatur der Faserstrang in seinen Werkstoffeigenschaften ebenfalls beeinflussbar ist. So kann es je nach Anwendungsfall beispielsweise von Vorteil sein, dass aufgrund einer höheren Gastemperatur zu der Umgebungstemperatur der Faserstrang weicher gemacht wird und somit besser transportierbar bzw. besser auf seine Zielverwendung anwendbar ist.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, durch die Gaszusammensetzung die Werkstoffeigenschaften und somit auch die mechanischen Eigenschaften des Faserstrangs zu beeinflussen. Hier kann die chemische Gaszusammensetzung sich vorteilig auf das Transportverhalten des Faserstrangs oder aber auf das Verarbeitungsverhalten des Faserstrangs auswirken. Beispielsweise ist es möglich, durch Additive katalytische Effekte bei der Weiterverarbeitung des Faserstrangs hervorzurufen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird die Transportgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Drucks und/oder der Temperatur geregelt. Hierdurch werden zum einen die thermodynamischen Eigenschaften des den Faserstrang transportierenden Gases beeinflusst, was sich wiederum auf die Kenngrößen des Transports auswirkt. Hierbei kann es je nach Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilig sein, durch die Regelung der Größen ”Druck” und/oder ”Temperatur” auf den Anwendungsfall des Transportvorgangs optimal abzustellen. Ebenfalls ist es während des laufenden Verfahrens durch eine konkrete Steuerung und Regelung möglich, den Transport des Faserstrangs auf die jeweils erforderlichen Betriebsparameter zu steuern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird das Fasermaterial als Endlosspule abgerollt. Unter einer Endlosspule ist im Rahmen der Erfindung zwar ein endlicher Faserstrang zu verstehen, der jedoch bezogen auf den Produktionsprozess zunächst eine unendliche Größe aufweist. Beispielsweise ist eine Faserstranglänge von mehreren Kilometern auf einer Endlosspule bei einem täglichen Gebrauch von nur wenigen Metern als endlos zu verstehen.
Vorzugsweise wird die Abrollgeschwindigkeit geregelt. Diese Regelung kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugt durch eine Bremse geschehen. Eine Bremse ist im Rahmen der Erfindung eine Einrichtung bzw. ein Effekt, der auf den Faserstrang selbst oder aber auf den Wickelkörper wirkt. Dies kann im Falle des Wickelkörpers beispielsweise eine mechanische, pneumatische, hydraulische oder aber magnetische Bremse sein. Bevorzugt können auch Mischformen der zuvor genannten Bremsenarten eingesetzt werden. Mittels der Bremse ist es somit möglich, die Abrollgeschwindigkeit, respektive die Transportgeschwindigkeit, des Faserstrangs zu regeln.
Vorzugsweise wird das aus dem Behälter austretende Gas zur Förderung des Faserwerkstoffes in dem Kanal genutzt. Im Rahmen der Erfindung ist es somit grundsätzlich möglich, entweder den Luftstrom oder aber den durch Druck austretenden Gasstrom in den Transportkanal weiterzuleiten und weiterhin zur Nutzung des Transports des Faserstrangs in dem Kanal selber zu nutzen. Der Faserstrang selbst wird dann in dem Kanal durch einen Gasstrom transportiert. Dieser Gasstrom erzeugt eine dermaßene Strömung, dass ein luftkissenähnlicher Transport des Faserstrangs in dem Kanal selbst realisiert ist. Hierbei kann wiederum durch die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und/oder durch die thermodynamischen Eigenschaften des Gases die Transportgeschwindigkeit beeinflusst werden.
Weiterhin ist es möglich, durch gezielte laminare oder aber turbulente Strömungen innerhalb des Kanals besondere Eigenschaften des Faserstrangs hervorzurufen bzw. auf den jeweiligen bestmöglichen Transport innerhalb des Kanals abzustellen. Im Falle einer laminaren Strömung beispielsweise wird ein Faserstrang über den Transportweg eher verdichtet, im Falle einer turbulenten Strömung ist es möglich, den Faserstrang aufzulockern.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, den Transportkanal direkt an die Austrittsöffnung des Behälters bzw. an den Behälter anzuschließen. Es ist jedoch auch möglich, zwischen dem Behälter und dem Kanal einen gewissen Abstand auszubilden. Weiterhin können verschiedene Vorrichtungen zwischen Austrittsöffnung und Kanal bzw. in dem Kanal selbst eingebracht werden, die die Strömungseigenschaften des Gases beeinflussen. Hierbei kann es sich beispielsweise um Druckminderer, Venturidüsen, Diffusoren, Düsen oder ähnliche andere strömungsmechanische Geometrien handeln.
Hierdurch wird insbesondere folgender vorteiliger Effekt erzielt. Beispielsweise ist es notwendig, dass die Faserstränge nicht die Außenwände des Kanals berühren. Hierzu ist grundsätzlich eine Gasströmung erforderlich, die eine bestimmte Geschwindigkeit benötigt. Für die eigentliche Transportgeschwindigkeit bzw. die Austrittsgeschwindigkeit, insbesondere wenn diese durch den Gasstrom selbst geregelt wird, sind jedoch schwankende Gasdrücke bzw. Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Austrittsöffnungen zu realisieren. Dabei kann dann eine jeweils verschiedene Gasströmung sowohl innerhalb des Druckbehälters bzw. in der Austrittsöffnung des Druckbehälters als auch in dem Kanal realisiert werden. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, eine konstante Gasströmung aufrecht zu erhalten, so dass im Wesentlichen kein Kontakt des Faserstrangs mit den Kanalwänden geschieht, gleichzeitig wird jedoch die Fördergeschwindigkeit über die Bremse geregelt.
Vorzugsweise wird der Faserwerkstoff als Filament und/oder Bahn transportiert. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich, den Faserwerkstoff bzw. den Faserstrang als einzelnes Filament, als Roving oder aber auch als Geflechtbahn oder aber als Flachbahn zu transportieren. Somit ist der Transportweg und auch die Düse im Querschnitt nicht nur als kreisrund zu verstehen, beispielsweise auch oval, elliptisch oder aber mit einem rechteckigen Querschnitt, der auch im Wesentlichen flach sein kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird die Viskosität der Fasern durch den Druck und/oder die Temperatur in dem Behälter und/oder dem Kanal geregelt. Hierdurch ist es, wie bereits zuvor erwähnt, möglich, dass die werkstofftechnischen Eigenschaften der Fasern bzw. des Faserstrangs oder aber der Faserbahn bereits auf dem Transportweg optimal auf den nächsten Verarbeitungsprozess vorbereitet werden. Auch wirkt sich die jeweilige Viskosität bzw. Stärke und Steifigkeit der Fasern unter Umständen vorteilig auf den Transportweg aus. Insbesondere im Bereich von zu überwindenden Krümmungen und/oder Kurven ist es somit möglich, einen gleichmäßigen, konstanten Transportfluss des Faserstrangs zu erreichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Matrixharz in einem Imprägnierkanal dem transportierten Faserstrang hinzugefügt. Bei dem Imprägnierkanal handelt es sich folglich im Rahmen der Erfindung um einen Abschnitt in dem Transportkanal, der derart ausgelegt ist, dass er einen Matrixharzstrom mit dem Faserstrang zusammenführt. Hierbei kann das Matrixharz auf verschiedenste Arten und Weisen dem Faserstrang hinzugefügt werden. Beispielsweise ist ein Besprühen, ein Durchmischen, ein Ansprühen im flüssigen oder suspendierten Zustand, ein Sprühtränken oder aber auch ein Bestreichen im Rahmen der Erfindung vorstellbar. Ebenfalls ist ein Aufdampfen des Matrixharzes auf den Faserstrang im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird das Matrixharz in den Faserstrang während des weiteren Transports einmassiert. Hierdurch wird eine besonders homogene Verteilung des Matrixharzes in den Faserstrang selbst realisiert. Das Einmassieren kann durch mechanische Einwirkung von außen erfolgen, beispielsweise bei einem elastischen Transportkanal durch Massagerollen oder ähnliche Gegenstände, die von außen auf den mit Matrixharz versehenen Faserstrang einwirken. Auch ist es beispielsweise durch Lamellen oder andere Massagemittel oder Vorrichtungen oder Gegenstände innerhalb des Transportkanals vorstellbar, einen Massageeffekt zu erzielen.
Auch ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, eine Massage durch turbulente Strömungen oder andere Strömungsumlenkungen durchzuführen. Hierzu werden beispielsweise Strömungsleitbleche oder aber externe Strömungsdüsen eingesetzt. Auch ist es vorstellbar, durch eine zusätzliche zugeführte Gasströmung oder Düsen innerhalb des Kanals eine turbulente Strömung zu erzeugen. Ein weiteres Einmassieren kann im Rahmen der Erfindung auch durch ein thermisches Behandeln erfolgen. Durch Änderung der Temperaturen wird das Matrixharz derart beeinflusst, dass ein Massageeffekt bzw. besserer Durchdringungseffekt und somit eine homogene Verteilung innerhalb des Faserstrangs erreicht wird. Besonders vorteilhaft bei diesem Verfahrensschritt ist es, dass Lufteinschlüsse weitestgehend vermieden werden und somit eine hohe Produktionssicherheit an dem Verarbeitungsort sichergestellt wird.
Die zuvor genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Transport und Anreichern eines Faserstangs mit Matrixharz mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Abrollspule in einem Druckbehälter angeordnet, wobei der Druckbehälter eine Düse zur Durchleitung des Faserstrangs aufweist und der Faserstrang mit einem Gasstrom zusammen durch die Düse in einen Transportkanal überführbar ist, wobei der Transportkanal zumindest abschnittsweise einen Imprägnierkanal zum Aufbringen von Matrixharz aufweist.
Erfindungsgemäß ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass Matrixharz in dem Imprägnierkanal auf den Faserstrang aufbringbar ist und danach direkt dem Verarbeitungsort zuführbar ist. Insbesondere ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass am Verarbeitungsort ein bereits verarbeitungsfertiger Faserverbundwerkstoff bereit gestellt ist. Aufgrund einer Durchmischung des Matrixharzes mit dem Faserstrang bereits in dem Transportkanal ergibt sich ein homogen ausgebildeter verarbeitungsfertiger Faserwerkstoff, der eine hohe Produktiosgenauigkeit des herzustellenden Faserverbundwerkstoffbauteils garantiert. Ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass aufgrund des pneumatischen Transports und der pneumatischen Zuführung bzw. Anreicherung mit Matrixharz nur geringe Reinigungskosten und damit nur einen geringen Reinigungsaufwand bzw. Revisionsaufwand hervorrufen.
Vorzugsweise ist der Transportkanal hierzu zumindest abschnittsweise aus einem elastisch verformbaren Werkstoff ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Transportkanal in einem Abschnitt eine gewisse elastische Verformbarkeit aufweist. Vorzugsweise ist der Transportkanal hier aus einem gummiartigen oder aber kunststoffartigen Werkstoff ausgebildet.
Weiterhin sind in dem elastisch verformbaren Abschnitt des Transportkanals Mittel zur mechanischen Bearbeitung des mit Matrixharz vermischten Faserstrangs vorgesehen. Bei den Mitteln zur mechanischen Bearbeitung kann es sich um in dem Transportkanal angeordnete Mittel handeln, beispielsweise Massagelamellen oder aber kammartige Bürsten, oder aber um extern angeordnete Mittel zur mechanischen Bearbeitung. Unter extern angeordneten Mitteln zur mechanischen Bearbeitung sind beispielsweise Massagerollen, Massagefühler oder sonstige Mittel zu verstehen, mit denen eine elastische Verformung des Transportkanals von außen möglich ist.
Hierdurch wird sichergestellt, dass der mit Matrizharz angereicherte Faserstrang derart mechanisch bearbeitet werden kann, dass durch eine Massagewirkung eine homogene Verteilung des Matrixharzes innerhalb des Faserstrangs erreicht wird. In der Folge stellen sich optimale Verarbeitungseigenschaften und Produktionsergebnisse der herzustellenden Produkte ein. Osmotische Effekte, beispielsweise aufgrund von Lufteinschlüssen, oder aber mangelnde Verarbeitungsqualitäten aufgrund von Fehlstellen innerhalb des Faserstrangs, die nicht mit Matrixharz versehen sind, werden somit weitestgehend vermieden.
Aufgrund der Integration dieser Verarbeitungsschritte in den Transportkanal sind aufwendige Nachbearbeitungsschritte weitestgehend vermieden. In der Planung, Konstruktion und Unterhaltung einer Fertigungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Transport und Anreichern von Faserwerkstoffen mit Matrixharz ergeben sich somit insgesamt kostengünstige Vorteile gegenüber Anlagen, die bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung weist der Transportkanal zumindest abschnittsweise einen Mischkanal auf, wobei in dem Mischkanal Mittel zur Strömungslenkung ausgebildet sind. Durch die Mittel zur Strömungslenkung wird eine besonders vorteilige Anströmung des durch den Mischkanal transportierten Fasterstrangs mit Matrixharz realisiert.
Das Matrixharz wird folglich im Zuge einer laminaren oder aber turbulenten Strömung und beispielsweise unter Zuhilfenahme von Strömungsleitplatten an den Faserstrang gelenkt und mit diesem durchmischt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist im Bereich des Imprägnierkanals mindestens eine Eintrittsdüse zum Hinzufügen von Matrizharz vorhanden. Über die Eintrittsdüse ist es möglich, Matrixharz in den Transportkanal zu befördern. Das Befördern kann aktiv oder aber auch passiv geschehen. Bei einem aktiven Befördern wird das Matrixharz in den Transportkanal unter Druckeinwirkung eingespritzt bzw. eingesprüht. Beim passiven Transport wird durch einen Sogeffekt des Transportkanals das Matrixharz aus einem Vorratsbehälter in den Transportkanal angesogen.
Die Eintrittsdüse kann besonders vorteilig als ringförmige Nut ausgebildet sein, so dass sie von allen Seiten des Faserstrangs Matrixharz auf diesen aufbringt. Weiterhin können im Rahmen der Erfindung auch mehrere Eintrittsdüsen ringförmig um den Bereich des Transportkanals, der als Imprägnierkanal ausgebildet ist, angeordnet sein.
Die Gestaltung der Eintrittsdüse oder Mischdüse sollte der Form eines Trichters sein, der im Mittelpunkt den Faserstrang hat. Der Matrixharz sollte idealerweise so eingeleitet werden, dass er sich ringförmig um den Faserstrang legt und mit dem Luftstrom und der Strangbewegung in den sich verjüngenden Trichter hineingepresst und/oder gezogen wird.
Alternativ kann der Transportkanal über eine T-Stückartige Verbindung mit dem Mischkanal gekoppelt werden und das Matrixharz entsprechend durch den mittleren Kanal dosiert eingeleitet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Diese dient dem einfachen Verständnis der Erfindung. Vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den schematischen Figurendarstellungen. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Transport von Fasersträngen während der Durchführung des Transportes,
2 eine Austrittsdüse zum Transport von Fasersträngen in einer Detailquerschnittsansicht und
3 einen Abschnitt des Transportkanals mit einem Imprägnierkanal und einem Mischkanal.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Transport eines Faserstrangs 2, aufweisend einen Druckbehälter 3, einen Wickelkörper 4 mit einem aufgewickelten Faserstrang 2 und eine Austrittsdüse 5, durch die der Faserstrang 2 aus dem Druckbehälter 3 austritt. Der Faserstrang 2 selbst ist hier dargestellt auf dem Wickelkörper 4 kreisrund aufgewickelt. Der Wickelkörper 4 selbst ist über eine Haltevorrichtung 6 in dem Druckbehälter 3 lagefixiert relativ drehbar angeordnet. Eine Drehrichtung 7 zum Abwickeln des Faserstrangs 2 von dem Wickelkörper 4 erfolgt in Richtung des Faserstrangs 2 zeigend zur Austrittsdüse 5. Der Druckbehälter 3 kann hier dargestellt mit einem Druck p_D beaufschlagt sein, der größer ist als der den Druckbehälter 3 umgebende Druck der Atmosphäre p_A. Durch den höheren Druck p_D im Druckbehälter 3 stellt sich im Bereich der Austrittsdüse 5 eine Gasströmung 8 ein, die den Faserstrang 2 durch Reibung an der Oberfläche des Faserstrangs 2 bei ihrem Austritt aus dem Druckbehälter 3 transportiert. An den Druckbehälter 3 angeschlossen ist ein Transportkanal 9 zum Transport des Faserstrangs 2.
2 zeigt eine Detailansicht des Druckbehälters 3 im Bereich der Austrittsdüse 5 sowie eine Detailansicht des Endes 10 des Transportkanals 9 zum Transport des Faserstrangs 2. Die Austrittsdüse 5 ist zum Austritt aus dem Behälter 3 als Düse in der inversen Anordnung eines Diffusors ausgebildet. Hierdurch stellt sich aufgrund des Drucks p_D im Behälter eine Gasströmung 8 ein, die den Faserstrang 2 transportiert. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, die Austrittsdüse 5 als Wechselwerkzeug auszubilden, so dass der Druckbehälter 3 für verschiedenste Querschnitte des Faserstrangs 2 durch einfachen Wechsel der Austrittsdüse 5 genutzt werden kann. An die Austrittsdüse 5 gliedert sich dann der Transportkanal 9 zum Transport des Faserstrangs 2 an. Die Innenfläche 11 des Transportkanals 9 ist mit der Außenfläche 12 des Faserstrangs 2 beabstandet, so dass hier eine Luftschicht 13 ausgebildet ist. Die durch die Düse eintretende Gasströmung 8 sorgt dafür, dass sich die Innenfläche 11 und die Außenfläche 12 im Wesentlichen nicht berühren. Am Ende 10 des Transportkanals 9 tritt die Gasströmung 8 aus und der Faserstrang 2 wird in Transportrichtung 14 seiner weiteren Verwendung zugeführt.
3 zeigt einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Transportkanals 9. Der Transportkanal 9 weist in einem Längenabschnitt 15 einen Imprägnierkanal 16 auf. Der Imprägnierkanal 16 führt dem Transportkanal 9, hier schematisch dargestellt, ein Matrixharz 17 zu. Das Matrixharz 17 wird über eine Eintrittsdüse 18 in den Transportkanal 9 geführt und von der Gasströmung 8 in Transportrichtung 14 des Faserstranges 2 mitgerissen. In einem weiteren Längenabschnitt 15 weist der Transportkanal 9 einen Mischkanal 19 auf. In dem Mischkanal 19 wird noch überschüssiges Matrixharz 17 in den Faserstrang 2 vermischt, so dass eine homogene Verteilung von Matrixharz 17 und Faserstrang 2 als verarbeitungsfertiger Verbundwerkstoff 20 am Ende des Transportkanals 9 zu dem Verarbeitungsort zugeführt wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Faserstrang
3: Druckbehälter
4: Wickelkörper
5: Austrittsdüse
6: Haltevorrichtung
7: Drehrichtung
8: Gasströmung
9: Transportkanal
10: Ende
11: Innenfläche zu 9
12: Außenfläche zu 2
13: Luftschicht
14: Transportrichtung
15: Längenabschnitt
16: Imprägnierkanal
17: Matrixharz
18: Eintrittsdüse
19: Mischkanal
20: verarbeitungsfertiger Verbundwerkstoff
p_D: Druck Druckbehälter
p_A: Druck Atmosphäre

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1215022 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Transport eines Faserstranges (2) zu einem Verarbeitungsort, wobei der Faserstrang (2) als Verbundwerkstoff verarbeitungsfertig vorbereitet wird, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen des Faserstranges (2) auf einem Wickelkörper (4) in einem Behälter (3), – Ausbringen des Faserstranges (2) aus dem Behälter (3) in einen Transportkanal (9) und pneumatischer Transport durch den Transportkanal (9), – Hinzufügen von Matrixharz (17) während des Transportes durch den Transportkanal (9).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang durch Druck (p_D) aus dem Behälter (3) ausgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang durch einen Gasstrom (8) aus dem Behälter (3) ausgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gastemperatur geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Druckes (p_D) und/oder der Temperatur geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Martrixharz (17) in einem Imprägnierkanal (16) dem transportierten Faserstrang (2) hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der das Matrixharz (17) in den Faserstrang (2) während des weiteren Transportes einmassiert wird.
Vorrichtung zum Transport und Anreichern eines Faserstranges (2) mit Matrixharz (17) nach einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abrollspule (4) in einem Druckbehälter (3) angeordnet ist, wobei der Druckbehälter (3) eine Düse zur Durchleitung des Faserstranges (2) aufweist und der Faserstrang (2) mit einem Gasstrom (8) zusammen durch die Austrittdüse (5) in einen Transportkanal (9) überführbar ist, wobei der Transportkanal (9) zumindest abschnittsweise einen Imprägnierkanal (16) zum Aufbringen von Matrixharz (17) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Transportkanal (9) zumindest abschnittsweise aus einem elastisch verformbaren Werkstoff ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des elastisch verformbaren Abschnittes Mittel zur mechanischen Bearbeitung des mit Matrixharz (17) vermischten Faserstranges (2) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Transportkanal (9) zumindest abschnittsweise einen Mischkanal (19) aufweist, wobei in dem Mischkanal (19) Mittel zur Strömungslenkung ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Imprägnierkanals (16) mindestens eine Eintrittsdüse (18) zum Hinzufügen von Matrixharz (17) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsdüse (18) als ringförmige Nut ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Eintrittsdüse (18) durch den Gasstrom (8) ein Unterdruck zur Förderung des Matrixharzes (17) erzeugbar ist.