DE102011005678A1

DE102011005678A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Aufspalten eines Endlos-Faserrovings

Info

Publication number: DE102011005678A1
Application number: DE102011005678A
Authority: DE
Inventors: Hanno Pfitzer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: DE102011005678B4

Abstract

Bei einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Aufspalten eines aus einer Vielzahl von Einzelfasern bestehenden, an einer Spreizstation (3) zu einem flachen Faserband (4) aufgefächerten Endlos-Faserrovings (1) in mehrere, getrennt weiterverarbeitete Endlos-Teilstränge (6) lässt sich der Faserroving erfindungsgemäß auf dem Wege über die daraus abgespaltenen Endlosstränge komplikationslos zu einem lastgerecht faserverstärkten Verbundbauteil dadurch weiterverarbeiten, dass das Faserband (4) durch eine rotierend oder oszillierend angetriebene Scherschneidenanordnung (8) auf einer randseitig zwischen den Endlos-Fasersträngen kontinuierlich verlaufenden Schnittspur (S) zerteilt wird, wobei das Teilungsverhältnis und somit der örtliche Titer der einzelnen Faserstrange (6.1, 6.2, 6.3) während des Aufspaltens in weiten Grenzen beliebig veränderlich ist, so dass sich die Faserstränge ohne fertigungstechnisch aufwändige örtliche Faserdoppelungen zu einer lastgerecht aufgebauten Faserstruktur eines Faserverbundbauteils weiterverarbeiten lassen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufspalten eines Endlos-Faserrovings, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7.
Es ist bekannt ( DE 10 2007 012 607 B4 ), einen aus einer Vielzahl wen Einzelfilamenten bestehenden Endlos-Faserroving beim Durchlaufen durch eine Spreizstation mechanisch zu einem flachen Faserband umzuformen, um so bei der späteren Weiterverarbeitung des Faserbandes zu einem Faserverbundbauteil eine gleichmäßige Faserverteilung und Durchdringung der Faserstruktur mit der Faserverbundmatrix zu erhalten.
In der DE 10 2004 006 414 B4 ist ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufspalten eines hochtritrigen Faserbündels in einzelne, getrennt weiterverarbeitete Faserstränge niedrigerer Titerzahl vorbeschrieben, bei dem das Faserbündel zunächst im Gegenstrom durch eine Flüssigkeit gezogen und dadurch aufgelockert wird, bevor es dann in einem Separator an gestaffelt angeordneten, jeweils von einem der Faserstränge durchlaufenen Fadenführungen aufgespalten wird, wobei das Aufspalten des Faserbündels noch zusätzlich durch eine Schneideinrichtung unterstützt werden kann. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass sich einzelne Fasern, vor allem solche, die als sogenannte ondulierte Fasern schräg zur Durchzugsrichtung verlaufen, im Separator verfangen und dann weitere Fasern am Durchlaufen blockieren, so dass sich schließlich ein Faserknäuel bildet und der Aufspaltprozess schon nach kurzer Zeit zum Erliegen kommt. Darüberhinaus ist die Anzahl der Einzelfasern und folglich die Titerzahl in den einzelnen Endlos-Fasersträngen jeweils über die gesamte Faserstranglänge konstant, so dass die Faserstränge bei der späteren Weiterverarbeitung zu einem Faserverbundbauteil im Hinblick auf eine lastkonforme Bauteilgestaltung an den Stellen höherer Bauteilbelastung in umständlicher Weise durch örtliche Fasereinlagen aufgedoppelt werden müssen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen sich ein aus einer Vielzahl von Einzelfasern bestehender Faserroving auf dem Wege über daraus abgespaltene Endlos-Faserstränge komplikationslos zu einem lastgerecht faserstrangverstärkten Verbundbauteil weiterverarbeiten lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung bzw. das im Patentanspruch 7 gekennzeichnete Verfahren gelöst.
Erfindungsgemäß wird aufgrund der besonderen Gestaltung des Separators, der das Faserband in Längsrichtung nach Art eines Nibblers entgegen der Durchzugsrichtung auf einer kontinuierlichen Schnittspur aktiv und vor allem auch an ondulierten Fasern sicher durchtrennt, eine störungsfreie, fadenführungslose Aufspaltung des Faserbandes in getrennte Endlos-Faserstränge mit einer auf die Weiterverarbeitung zu einem lastgerecht verstärkten Faserverbundbauteil jeweils einstellbaren Faseranzahl erreicht.
In baulich und schnitttechnisch besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung enthält die Scherschneidanordnung des Separators mindestens ein vorzugsweise senkrecht zur Flächenerstreckung des Faserbandes hubbeweglich oszillierendes, zur Verbesserung des Faserflusses im Schnittbereich sich entgegen der Durchzugsrichtung des Faserbandes verjüngendes Schneidelement und eine mit diesem zusammenwirkende Schneidplatte. Soweit nach dem Durchtrennen des Faserbandes noch lose Faserenden in den Fasersträngen mitgeführt werden, können diese durch eine dem Separator zugeordnete Vernadelungseinrichtung in die Faserstränge integriert werden. Ablaufseitig des Separators können die Faserstränge jeweils auf einen Spulenkörper aufgewickelt werden. Um die Ablaufstrecke möglichst faserschonend zu gestalten, ist diese vorzugsweise zwängungsfrei und insbesondere fadenführungslos ausgebildet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der besonders bevorzugten Ausgestaltung mit beim Durchlaufen des Faserbandes quer zur Durchzugsrichtung verstellbaren Scherschneiden ist es möglich, aus dem Faserband auf fertigungstechnisch einfache Weise und ohne Unterbrechung des Aufspaltprozesses Endlos-Faserstränge mit einer in Faserlängsrichtung veränderlichen Faser- und somit auch Titerzahl zu erzeugen. Dabei wird die Titerzahl nach Größe und Position in Längsrichtung des Faserstrangs vorzugweise derart programmgesteuert, dass der Faserstrang bei Weiterverarbeitung zu einem Faserverbundbauteil mit einer zur örlichen Bauteilbelastung konformen Titerzahl abgelegt wird. Auf diese Weise kann auf fertigungstechnisch aufwändige örtliche Faserlagen-Doppelungen verzichtet und die Herstellung von Faserverbundbauteilen mit einer lastgerechten Faserstruktur ganz wesentlich vereinfacht werden.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 eine Vorrichtung nach der Erfindung in der Aufsicht;
2 eine perspektivische Teildarstellung der Vorrichtung nach 1 im Bereich einer der Scherschneideinheiten des Separators; und
3 eine Teilansicht eines durch die erfindungsgemäß hergestellten Faserstränge verstärkten Faserverbundbauteils im Schnitt.
Gemäß 1 wird ein Endlosroving 1, der aus einer Vielzahl von Einzelfasern oder Filamenten z. B. aus Carbonfasern besteht, von einer Vorratsspule 2 ab- und durch eine Spreizstation 3 üblicher Bauart gezogen, an der der Faserroving 1 mechanisch zu einem flachen Faserband 4 aufgefächert wird, welches anschließend in einem Separator 5 in mehrere – bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei – Endlos-Faserstränge 6.1, 6.2 und 6.3 aufgeteilt wird, die dann getrennt voneinander auf jeweils einen Spulenkörper 7 aufgewickelt werden.
Im Separator 5 wird das Faserband 4 in Bandlängsrichtung durch eine Scherschneidanordnung 8 zerteilt, welche aus einer durch die Anzahl der aufzuteilenden Faserstränge 6 vorgegebenen Anzahl, nämlich im vorliegenden Fall zwei Schneideinheiten 8.1 und 8.2 besteht. Wie am deutlichsten aus 2 ersichtlich ist, enthält jede der Schneideinheiten 8.1 und 8.2 ein senkrecht zur Flächenerstreckung des Faserbandes 4 in Hubrichtung H oszillierend angetriebenes Schneidelement 9 mit einer sich entgegen der Durchzugsrichtung D des Faserbandes 4 verjüngenden Schnittfläche 10 sowie eine mit dem Schneidelement 9 zusammenwirkende, entsprechend geschlitzte Schneidplatte 11, die das Faserband 4 nach Art eines Nibblers auf einer in der Breite des Schneidelements 9 kontinuierlich zwischen den einander zugekehrten Rändern der Faserstränge 6 verlaufenden Schnittspur S durchtrennen.
Soweit an den Schneideinheiten 8.1, 8.2 einzelne Fasern durchtrennt werden, deren lose Enden nach dem Trennvorgang in den Fasersträngen 6 verblieben sind, z. B. sogenannte ondulierte Fasern, die im Faserband 4 schräg zur Durchzugsrichtung D verlaufen, können diese unmittelbar ablaufseitig der Schneideinheiten 8 mit den Fasersträngen 6 vernadelt werden, wie dies in 1 durch den Doppelpfeil 12 als Symbol für einen üblichen Vernadelungsmechanismus angedeutet ist.
Nach einem weiteren wesentlichen Aspekt der Erfindung lässt sich das Teilungsverhältnis des Faserbandes 4 während des Aufspaltprozesses in weiten Grenzen dadurch veränderlich einstellen, dass die einzelnen Schneideinheiten 8.1, 8.2 quer zur Durchzugsrichtung D des Faserbandes 4 individuell verstellbar sind, also das Schneidelement 9 gemäß 2 gemeinsam mit der Schneidplatte 11 in Verstellrichtung V verfahrbar angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich ohne Unterbrechung des Aufspaltprozesses Faserstränge 6 erzeugen, die in nach Ausmaß und Position in Faserlängsrichtung frei vorgegebenen Bereichen eine unterhalb des Rovingtiters beliebig einstellbare Titer- oder Faseranzahl aufweisen, wie dies in 1 durch die Bereiche A höherer und die Bereiche B geringerer Faseranzahl dargestellt ist. Die dabei entstehenden, losen Faserenden können wiederum durch einen Vernadelungsmechanismus oder auch durch Aufsprühen eines Binders in die Faserstränge 6 integriert werden.
Zur Einstellung in V-Richtung werden die einzelnen Schneideinheiten 8 im Hinblick auf eine Weiterverarbeitung zu einem Faserverbundbauteil derart programmgesteuert, dass sich bei der Ablage der Faserstränge 6 eine lastgerecht aufgebaute Faserstruktur ergibt, also die Bereiche A erhöhter Titerzahl an den Stellen erhöhter Bauteilbelastung und die Bereiche B geringerer Titerzahl an den Stellen niedrigerer Bauteilbelastung zu liegen kommen, wie dies an Hand des in 3 in den Bereichen unterschiedlicher Bauteilbelastungen ausschnittsweise dargestellten Faserverbundbauteils 13 gezeigt ist.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen möglich. So können zum Durchtrennen des Faserbandes 4 anstelle von linear oszillierenden Schneideinheiten 8 auch rotierend angetriebene Schneidwerkzeuge mit sich entgegen der Durchzugsrichtung D verjüngenden Schnittflächen verwendet werden, und anstelle von Carbonrovings 1 lassen sich selbstverständlich auch Faserrovings aus anderen Materialien in einzelne Faserstränge 6 aufspalten. Ferner können die Faserstränge 6 jeweils zu einem einzelnen Verstärkungsfaden verdrillt und/oder in Längsrichtung unterteilt werden, bevor sie zu einem faserverstärkten Verbundbauteil weiterverarbeitet werden.
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

DE 102007012607 B4 [0002]
DE 102004006414 B4 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Aufspalten eines Endlos-Faserrovings, mit einer den Roving in ein Faserband auflösenden Spreizstation und einem nachgeschalteten, vom Faserband durchlaufenen und dieses in mindestens zwei getrennt weiterverarbeitete Endlos-Teilstrange aufteilenden Separator, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (5) eine rotierend oder oszillierend angetriebene, das Faserband (4) auf einer randseitig zwischen den Endlos-Teilsträngen (6) kontinuierlich verlaufenden Schnittspur (S) zerteilende Scherschneidenanordnung (8.1, 8.2) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherschneidenanordnung (8.1, 8.2) mindestens ein im Querschnitt sich entgegen der Durchzugsrichtung (D) des Faserbandes (4) verjüngendes Schneidelement (9) und eine mit diesem zusammenwirkende Schneidplatte (11) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scherschneidenanordnung (8.1, 8.2) beim Durchlaufen des Faserbandes (4) quer zur Durchzugsrichtung (D) stufenlos verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 zur Herstellung eines aus den Teilsträngen und einer Verbundmatrix angefertigten Faserverbundbauteils, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Schnittposition der Scherschneidenanordnung (8.1, 8.2) und der sich daraus ergebende Faseranteil der einzelnen Faser-Teilstränge (6) nach Maßgabe der örtlichen Bauteilbelastungen programmgesteuert einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scherschneidenanordnung (8.1, 8.2) ein die von dieser durchtrennten Faserenden in die Faser-Teilstränge (6) einziehender Vernadelungsmechanismus (12) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablaufstrecke der Faser-Teilstränge (6) abströmseitig der Scherschneidenanordnung (8.1, 8.2) zwängungsfrei, insbesondere fadenführungslos gestaltet ist.
Verfahren zum Aufspalten eines Endlos-Faserrovings in mehrere, getrennt weiterverarbeitete Endlos-Teilstränge, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving mit einem während des Aufspaltens jederzeit veränderlichen Teilungsverhältnis in die Endlos-Teilstränge zerlegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving vor dem Aufspalten mechanisch zu einem flachen Faserband aufgespreizt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Teilstränge zusammen mit einer Verbundmatrix zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in den Faser-Teilsträngen jeweils enthaltenen Einzelfasern nach Maßgabe der örtlichen Bauteilbelastungen veränderlich eingestellt wird.
Verfahren bzw. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserroving aus Carbonfasern besteht.