DE102011010592A1

DE102011010592A1 - Verfahren zum Herstellen eines Hybridrovings

Info

Publication number: DE102011010592A1
Application number: DE102011010592A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Büdenbender Jürgen; Dipl.-Ing. Haspel Julian; Dipl.-Ing.(FH) Reese Eckhard
Original assignee: Daimler AG; Lanxess Deutschland GmbH
Current assignee: Lanxess Deutschland GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hybridrovings (12) aus thermoplastischen Fasern (16) und Verstärkungsfasern (14), mit den Schritten: a) Abrollen eines Verstärkungsfaserbündels (44) von einer Spule (42); b) Aufteilen des Verstärkungsfaserbündels (44) in eine Mehrzahl von Einzelrovings (48); c) alternierendes Zusammenführen von Einzelrovings (48) der Verstärkungsfasern (14) mit Einzelrovings (40) von thermoplastischen Fasern (16) in einer Ebene; d) Bündeln der zusammengeführten Einzelrovings (40, 48) zu einem Garn (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hybridrovings aus thermoplastischen Fasern und Verstärkungsfasern.
Solche Hybridrovings oder Hybridgarne, für deren Verstärkung beispielsweise Glasfasern mit Thermoplastfilamenten (beispielsweise aus PA6) kombiniert werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2007 028 373 A1 ein so genanntes Comminglinghybridgarn aus endlosen Verstärkungsfilamenten und Matrixkomponenten in Kombination mit zusätzlichen eigenschaftsmodifizierenden Komponenten. Die Fasern der einzelnen Komponenten werden bei der Herstellung eines solchen Hybridrovings zusammengeführt und durch Luftblasverwirbeln beziehungsweise Lufttexturieren gemischt, um so eine möglichst homogene Verteilung der einzelnen Filamenttypen über den Rovingsquerschnitt zu erzielen.
Aus der DE 69 308 994 T2 ist ein weiteres Verfahren zum Herstellen von Hybridrovings bekannt. Hierbei werden endlose Glasfilamente aus einer Spinndüse und endlose Filamente aus einem organischen Material, die von einem Spinnkopf bereitgestellt werden, bahnförmig bündelweise miteinander versponnen. Das Vermischen der Verstärkungsfasern und thermoplastischen Fasern wird hier durch eine Venturidüse, welche die Thermoplastfilamente bahnförmig auf die Glasfaser schleudert, realisiert.
Bei bekannten Herstellungsverfahren ergibt sich oftmals eine relativ inhomogene Verteilung der einzelnen Faserkomponenten des Hybridrovings innerhalb des Rovings und zudem die Bildung von Knoten. Hierdurch entstehen Sollbruchstellen und relativ schlechte mechanische Eigenschaften. Bei einer späteren Weiterverarbeitung des Rovings ergeben sich hierdurch zudem besonders lange Konsolidierungszeiten. Textile, die aus solchen Hybridrovings gefertigt werden, sind daher oftmals als Einleger für die Herstellung von Faserverbundkunststoffen nicht geeignet.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches die Herstellung von Hybridrovings mit besonders homogener Filamentverteilung über den Querschnitt des Rovings erlaubt, so dass der produzierte Hybridroving besonders gute mechanische Eigenschaften und kurze Konsolidierungszeiten in weiteren Prozessschritten aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem derartigen Verfahren zum Herstellen eines Hybridrovings aus thermoplastischen Fasern und Verstärkungsfasern wird zunächst ein Verstärkungsfaserbündel bereitgestellt, vorzugsweise durch Abrollen von einer Spule. Das Verstärkungsfaserbündel wird mit geeigneten Mitteln in eine Mehrzahl von Einzelrovings aufgeteilt, welche alternierend mit Einzelrovings aus thermoplastischen Fasern einer Ebene zusammengeführt werden. Die so zusammengeführten Einzelrovings werden abschließend zu einem Garn gebündelt. Durch das alternierende Zusammenführen der vereinzelten Rovings mit sehr geringer Faseranzahl pro Roving wird eine sehr gute und homogene Verteilung der einzelnen Fasertypen über den Querschnitt des so produzierten garnförmigen Hybridrovings erzielt. Der Hybridroving weist damit eine besonders gute mechanische Qualität auf und ist besonders einfach weiterzuverarbeiten, so dass es sich gut zur Herstellung von Textilen als Einleger für Faserbundstoffe eignet. Durch die daraus resultierenden kurzen Konsolidierungszeiten können bei der Weiterverarbeitung die Prozesszeiten gesenkt und Kosten gespart werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Verstärkungsfasern im feuchten Zustand, das heißt vor dem Aktivieren einer vorher aufgebrachten Verstärkungsfaserschlichte, verarbeitet. Dies führt zum einen zu einer Schmierung der Verstärkungsfasern, so dass sich diese besonders gut verarbeiten lassen. Durch die feuchte Verarbeitung ist zudem die Aufteilung in Einzelrovings mit besonders geringen Faseranzahlen beziehungsweise Tex-Zahlen möglich.
Nach dem Bündeln wird das Garn in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung getrocknet und aufgerollt. Dies kann beispielsweise durch Luft- oder Infrarottrocknung erfolgen. Hierdurch ist das Garn besonders gut lagerfähig, so dass sich keine logistischen Probleme bis zu einer späteren Weiterverarbeitung ergeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Einzelrovings der Verstärkungsfasern und/oder der thermoplastischen Fasern eine besonders geringe Tex-Zahl auf. Vorzugsweise umfasst ein Einzelroving dabei weniger als 100 und insbesondere zwischen 3 und 6 Verstärkungsfasern. Hierdurch lässt sich eine besonders homogene Faserverteilung im resultierenden Hybridroving realisieren.
Vorzugsweise werden die Verstärkungsfasern während der Durchführung des Verfahrens mittels eines Förderbandes und/oder mittels Galetten und/oder mittels Stahllitzen transportiert. Die drei genannten Möglichkeiten stellen besonders schonende Transportverfahren dar, so dass beispielsweise bei der Verwendung von Glasfasern oder ähnlichen spröden Materialien für die Verstärkungsfasern Faserbrüche vermieden werden können und keine Spannungen in die Fasern eingebracht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Einzelrovings zum Bündeln durch einen Kanal mit kreisförmigem, entlang seiner Erstreckung abnehmendem Querschnittsprofil geführt. Aus den in einer Ebene nebeneinander alternierend angeordneten Einzelrovings der thermoplastischen Fasern und der Verstärkungsfasern wird so ein kreisrundes Garn mit homogener Faserverteilung über dessen Querschnitt gefertigt.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Textil aus Hybridrovings;
2 eine Vorrichtung zum Herstellen von Hybridrovings nach dem Stand der Technik;
3 eine alternative Vorrichtung zum Herstellen von Hybridrovings nach dem Stand der Technik;
4 eine Querschnittsdarstellung durch ein Hybridroving aus thermoplastischen Fasern und Verstärkungsfasern;
5 eine Spreizvorrichtung zum Aufspreizen von Faserbündeln beim Herstellen von Hybridrovings nach dem Stand der Technik;
6 eine Lockerungseinrichtung zum Auflockern von Faserbündeln nach dem Stand der Technik;
7 eine schematische Darstellung des Abwickelns von thermoplastischen und Verstärkungsfasern beim Durchführen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
8 eine schematische Darstellung des Auftrennens der Faserbündel in Einzelrovings bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
9 ein Gatter zum Abrollen der Faserbündel bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
10 eine Vorrichtung zum Transportieren von Einzelrovings mittels Stahllitzen bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
11 eine Schnittdarstellung durch die Vorrichtung gemäß 10;
12 eine Vorrichtung zum Transport von Einzelrovings mittels eines Förderbands bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
13 und 14 Draufsichten auf zwei alternative Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß 12;
15 eine alternative Vorrichtung zum Transportieren von Einzelrovings mittels Galetten bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
16 und 17 Schnittdarstellungen durch alternative Ausführungsformen von Galetten zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß 15;
18 und 19 Draufsichten auf zwei alternative Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gemäß 15;
20 ein Kamm zum alternierenden Anordnen von Einzelrovings bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
21 eine Draufsicht auf einen Kamm gemäß 20 mit der zugeordneten Faserführung der Einzelrovings;
22 eine schematische Darstellung der Änderung der Faserverteilung bei der Bündelung der alternierend parallel angeordneten Einzelrovings zu einem im Querschnitt kreisrunden bzw. langovalen Garn;
23 eine Vorrichtung zum Bündeln der alternierend angeordneten Einzelrovings bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
24 eine Vorrichtung zum Trocknen des Hybridrovings bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
25 eine alternative Vorrichtung zum Trocknen der fertigen Hybridrovings nach dem Aufwickeln bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
26 eine weitere alternative Vorrichtung zum Trocknen von Hybridrovings bei der Durchführung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Textil aus einzelnen, der Übersichtlichkeit halber nicht allen bezeichneten Hybridrovings 12, sowie einen derartigen Hybridroving 12 im Querschnitt. Der Roving 12 umfasst stochastisch über den Querschnitt verteilte thermoplastische Fasern 14 und Verstärkungsfasern 16, die ebenfalls der Übersichtlichkeit halber nicht alle bezeichnet sind. Solche Hybridrovings 12 werden üblicherweise nach dem Comminglingverfahren hergestellt, bei welchem die einzelnen Fasertypen durch Luft verwirbelt werden, um so eine möglichst stochastische Verteilung über den Querschnitt zu erzielen. Eine vergrößerte Querschnittsdarstellung des resultierenden Hybridrovings 12 ist nochmals in 4 gezeigt.
2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung 18 zum Herstellen derartiger Hybridrovings 12. Hierbei werden Endlosglasfasern auf einer Trommel gesponnen und von dieser wieder abgeschabt. In einem Spindrichter werden Thermoplastkurzfasern dazugemischt und anschließend wird der Hybridgarn mit einer Schlichte versehen.
Eine alternative, ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung 20 zum Herstellen von Hybridrovings 12 zeigt 3. Aus einer Spinndüse werden hierbei endlose Glasfilamente bereitgestellt, bzw. ein Spinnkopf produziert endlose Filamente aus organischem Material. Die thermoplastischen Filamente werden dabei bahnförmig mit einem Bündel oder einer Bahn aus Glasfilamenten versponnen. Die Geschwindigkeit der thermoplastischen Filamente ist beim Eintritt in das Bündel oder die Bahn aus Glasfilamenten dabei größer als die Ziehgeschwindigkeit der Glasfilamente. Dies soll einen späteren Schrumpf der thermoplastischen Fasern kompensieren und das Volumen des Hybridgarns bestimmen. Die Überlänge der Thermoplastfasern wird dabei durch eine spätere Wärmebehandlung nachgeschrumpft. Das Vermischen der Glasfasern und der thermoplastischen Fasern wird hierbei durch eine Venturidüse realisiert, welche die Thermoplastfilamente bahnförmig auf die Glasfaser schleudert.
Zur Herstellung von derartigen Bändern aus Einzelfilamenten kann eine ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Spreizvorrichtung 22 gemäß 5 Verwendung finden. Die Spreizvorrichtung 22 weist mehrere um jeweilige Achsen 24 rotierende, konvexe Spreizkanten 26 auf. Filamentbündel werden immer wieder neu auf diese Spreizkanten 26 aufgeführt, um so eine ideale Spreizung zu erreichen. Zusätzlich ist eine Abrollvorrichtung für Verstärkungsfasern mit einem Positionssensor vorgesehen. Durch eine Lockerungsvorrichtung 28 gemäß 6, wie sie ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann ein Faserbündel 30 durch Luftbesaugung in Richtung der Pfeile 32, während es über Rollen 34 geführt wird, zusätzlich aufgelockert werden.
Die geschilderten bekannten Verfahren zum Herstellen von Hybridrovings führen in der Regel zu einer inhomogenen Verteilung der Verstärkungsfasern 14 und der thermoplastischen Fasern 16 über den Querschnitt des Hybridrovings. Zusätzlich können Knoten und Brüche der Verstärkungsfasern entstehen, was die Materialqualität verschlechtert und zu Sollbruchstellen führt.
Um eine besonders homogene Faserverteilung zu erzielen, kann im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Abwickelvorrichtung 36 gemäß 7 Anwendung finden. Von einem ersten Satz von Spulen 38 werden hierbei Faserbündel 40 von thermoplastischen Fasern 16 abgerollt. Auf weiteren Spulen 42 werden Bündel 44 von Verstärkungsfasern bereitgestellt, bei denen es sich beispielsweise um Glasfasern handeln kann. Die Bündel 44 weisen dabei vorteilhafterweise eine besonders geringe Tex-Zahl auf und sind im befeuchteten Zustand, also mit einer Schlichte versehen, auf den Spulen 42 bereitgestellt. Die Bündel 44 werden auf einer Führung 46 aufgenommen, dort gegebenenfalls durch Anblasen aufgespreizt und zu Einzelrovings 48 mit maximal drei bis sechs Fasern pro Roving aufgespreizt. Dies ist im Detail in 8 gezeigt. Hierdurch kann eine sehr feine Verteilung im fertigen Hybridroving erreicht werden. Über die Anzahl der Spulen und den jeweiligen Titer der Fasern beziehungsweise die jeweilige Tex-Zahl kann der Gehalt an Verstärkungsfasern 14 sehr genau eingestellt werden. Die Faserbündel 44 beziehungsweise 48 verlaufen gerade, also ohne jegliche Umlenkungen, so dass möglichen Brüchen vorgebeugt wird. Durch die Führungen 46 wird zudem das Eigengewicht der Fasern kompensiert, so dass keine Spannungen durch das Durchhängen der Filamente entstehen. Zusätzlich werden sämtliche Führungen 46 optimal geschmiert, um jegliche Reibung und damit Widerstand zu vermeiden und die Schlichte auf den Fasern 44 beziehungsweise 48 zu erhalten.
Das Gatter 36 zum Abrollen der Spulen ist in 9 nochmals in einer Frontalansicht dargestellt. An einem Rahmen 50 sind hierbei Antriebseinheiten 52 zum Abrollen der Spulen 38, 42 vorgesehen. Das Gatter 36 muss insgesamt spielfrei ausgebildet sein, da sonst unerwünschte Schwingungen entstehen können. Durch die extreme Steifheit des Rahmens 50 werden Schwingungen zusätzlich vermieden, wobei ferner aktiv gesteuerte Blöcke 54 vorgesehen sind, mittels welcher auftretende Schwingungen gedämpft beziehungsweise kompensiert werden können.
Die einzelnen Rovings 48 beziehungsweise Faserbündel 44 können nicht einfach durch Zug abgerollt werden, da hierdurch die Integrität der Glasfilamente 14 beeinträchtigt werden könnte. Durch Zugspannungen kann es hierzu Brüchen kommen. Auch ein Durchhängen einzelner Filamente 14 oder der Rovings 44, 48 kann zum Bruch führen. Daher müssen die Antriebseinheiten 52 intelligent gesteuert werden. Eine Sensorüberwachung, die mit einer aktiven intelligenten Steuerung versehen ist, kann den Antriebseinheiten 52 die entsprechenden Befehle übermitteln, um so Zugspannungen oder ein Durchhängen zu verhindern.
Auch beim Transport der Faserbündel 44 beziehungsweise der Einzelrovings 48 müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, um die Integrität der Verstärkungsfasern 14 zu gewährleisten. Auch hier muss ein Durchhängen sowie Zugspannungen vermieden werden. Auch auf Umlenkungen muss weitestgehend verzichtet werden. Es ist zudem notwendig, die Rovings 48 möglichst schwingungsfrei zu transportieren und jeden Widerstand zum Beispiel durch Reibung zu minimieren.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 56 zum Transportieren von Einzelrovings 48 ist in 10 dargestellt.
Die Vorrichtung 56 besteht aus drei Stahllitzen 58, die jeweils ein Einzelroving 48 zwischen sich aufnehmen. Die Litzen 58 bewegen sich in Förderrichtung, also entlang der Pfeile 60, und nehmen die Einzelrovings 48 dabei mit. Zwischen den gegebenenfalls noch beschichteten Stahllitzen und dem Roving 48 gibt es keine Relativbewegung, so dass hier keine Reibung auftritt. Die Vorrichtung 56 ist zudem steif, so dass es nicht zu Schwingungen kommt. Hierdurch kann ein Brechen der Verstärkungsfasern 14 der Einzelrovings 48 bis zur Zusammenführung mit den thermoplastischen Fasern 16 zuverlässig vermieden werden. Um die Einzelrovings 48 in die Vorrichtung 56 einzulegen sowie das Entnehmen der Einzelrovings 48 zu ermöglichen, ist wie in 11 dargestellt, eine der Stahllitzen 58 entlang des Pfeils 62 relativ zu den anderen Stahllitzen 58 beweglich.
Eine weitere Vorrichtung 64 zum Transport der Rovings 48 ist in 12 gezeigt. Hierbei handelt es sich um ein Förderband 66, welches die Einzelrovings 48 nach dem Bündeln aufnimmt. Die Oberfläche des Bandes 66 ist besonders weich, so dass die Rovings nicht beschädigt werden. Gleichzeitig ist die Oberfläche auch besonders glatt gehalten, so dass bei eventuell auftretendem Schlupf kein Widerstand zwischen den Rovings 48 und dem Band 66 entsteht, also dass die Reibung zwischen Roving 48 und Band 66 so gering wie möglich gehalten wird.
Durch das Förderband 66 darf der Roving 48 natürlich auch keinen Schwingungen ausgesetzt werden. Dementsprechend wird das Band 66 mit einem schwingungsdämpfenden System ausgestattet, welches eine Softwaresteuerung aufweist. Durch eine Sensorüberwachung des Förderbandes 66 können Schwingungen erkannt werden, so dass sie sofort kompensiert werden können. Die Steuerung synchronisiert ferner die Geschwindigkeit des Bandes 66 und der Rovings 48. Sind diese Geschwindigkeiten nämlich nicht synchron, so kommt es zur Reibung und damit zu Widerstand und Spannungen, was unterbunden werden muss. Auch dies wird durch eine Sensorik überwacht und kann damit softwaregesteuert werden. Insgesamt muss die Vorrichtung 64 ebenfalls extrem steif sein, wobei auftretende Schwingungen wie beim Gatter 36 durch aktiv gesteuerte Dämpfungsblöcke, auf welchen die Vorrichtung 64 steht, kompensiert werden können.
Wie 13 zeigt, kann ein einzelnes Band 66 zum Transport mehrer Rovings 48 verwendet werden, die parallel auf dem Band 66 aufliegen. Es ist verfahrenstechnisch relativ einfach, da nur ein Band 66 überwacht und gesteuert werden muss. Bei einer Störung jedoch fällt die gesamte Anlage aus. Außerdem ist es nicht möglich, jeden Einzelroving 48 zu überwachen und das Band darauf abzustimmen.
Alternativ dazu kann (wie in 14 gezeigt) jeder Einzelroving auf einem eigenen Band 66 transportiert werden, so dass jeder einzelne Roving genau überwacht werden kann und Band 66 und Roving 48 genau aufeinander abgestimmt werden können. Verglichen mit der Lösung gemäß 13 ist dies jedoch aufwändiger und kostenintensiver, gewährleistet jedoch eine bessere Kontrolle über die Materialqualität des resultierenden Hybridrovings 12.
15 zeigt eine weitere alternative Transportvorrichtung 68, die zum Transport des Rovings 48 Galetten 70 benutzt. Die gebündelten Rovings 48 werden nach dem Bündeln auf die Galetten 70 aufgelegt und durch diese gefördert und gleichzeitig abgestützt. Die Galetten 70 laufen dabei synchron in Förderrichtung des Rovings 48. Üblicherweise werden dazu Galetten 70 mit glatten polierten Laufflächen 72 eingesetzt, wie in 16 dargestellt. Es können jedoch auch Galetten 70 mit genuteten Laufflächen 72 benutzt werden. Durch die Nuten 74 wird ein Ankleben der Rovings 48 verhindert. Solche genuteten Galetten 70 vermeiden jedoch auch Schlupf, wodurch es zu Zugspannungen kommen kann. Im Fall einer Störung kann dabei der gesamte Roving 48 abgerissen werden. Auch das Fördersystem 68 muss ebenfalls schwingungsfrei sein, wofür eine maximale Steifigkeit notwendig ist. Um trotzdem auftretende Schwingungen zu dämpfen und zu kompensieren, steht auch dieses Fördersystem 68 auf aktiv gesteuerten Dämpfungsblöcken, welche Schwingungen aufnehmen, dämpfen und kompensieren. Um mögliche Störfälle sofort zu erkennen und ihnen entgegenwirken zu können, ist auch das Galettensystem 68 sensorüberwacht. Die Galetten 70 laufen synchron mit einer Geschwindigkeit, welche mit einer Geschwindigkeit der Rovings 48 synchronisiert ist. Die gesamten Komponenten des Galettensystems 48 werden ebenfalls durch eine Software gesteuert.
Auch hier besteht die Möglichkeit, Rovings 48 einzeln auf jeweiligen Galettensystemen 68 zu transportieren, wie in 18 gezeigt, oder aber mehrere Rovings 48 gemeinsam auf einem Galettensystem 68 zu transportieren, wie 19 darstellt. Bei der Variante mit einzelnen Rovings 48 gemäß 18 besteht wiederum der Vorteil, jeden Einzelroving 48 genau kontrollieren zu können, was jedoch wiederum technisch besonders aufwändig ist. Mehrere Rovings 48 auf breiteren Galetten 70, gemäß der Ausführungsform von 19, bedeutet wiederum, dass man weniger Einfluss auf einzelne Rovings 48 hat und die Rovings 48 nur gruppenweise kontrollieren kann, was jedoch zu einem einfachen Aufbau und geringeren Kosten führt.
Nach dem Vereinzeln der Glasfaserrovings 48 werden die Glasfaserrovings 48 sowie die Thermoplastbündel 40 auf einem Kamm 76 alternierend angeordnet und geführt. Zwischen zwei Zähnen 78 des Kammes 76 ist dabei jeweils ein einzelnes Thermoplastbündel 40 oder ein einzelnes Einzelroving 48 aufgenommen. Die Einzelrovings 48 aus den Glasfasern 14 werden dabei gerade geführt, so dass nur eine Umlenkung der Thermoplastbündel 40 notwendig ist. Der Kamm 76 ist ebenfalls geschmiert und gewährleistet einen nahezu reibungsfreien Transport der Bündel 40, 48.
Die Flachablage kann auch mit Thermoplast-Filamenten, bspw. aus PA, ober- und unterhalb der Glasfaserrovings 48 erfolgen.
Anschließend wird, wie in 22 gezeigt, die planar alternierende Faseranordnung 80 zu einem im Querschnitt kreisförmigen Hybridroving 12 gebündelt, wozu eine trichterförmige Führung 82 gemäß 23 dient. Der Reibwiderstand zwischen den Rovings 40, 48 und dem Trichter 82 muss auch hier so gering wie möglich gehalten sein. Die Trichteroberfläche kann hierzu beispielsweise aus Keramik ausgebildet werden. Gegebenenfalls muss noch eine Schmierung vorgesehen werden. Aus der planar alternierenden Anordnung der Rovings 40, 48 entsteht damit eine im kreisförmigen Querschnitt stochastisch gleichmäßige Verteilung. Auch hier muss, um Schwingungen zu vermeiden, der Trichter 82 auf aktiv gesteuerte Dämpfungsblöcke gesetzt werden. Nach dem Fachen der Rovings 40, 48 erfolgt schließlich noch ein Trocknen und Aufwickeln des entstehenden Hybridrovings 12. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine erste Möglichkeit ist die Trocknung durch einen Luftstrom, durch den das Hybridroving 12 geleitet wird. Der Hybridroving 12 könnte auch mithilfe eines Infrarotstrahlers getrocknet werden. Wie 24 zeigt, kann der Hybridroving 12 vor dem Aufwickeln durch eine Trockenstrecke 84 geführt werden, woraufhin das Aufwickeln auf eine Spule 86 erfolgt. Alternativ hierzu kann der Hybridroving auch feucht auf die Spule 86 geführt werden und anschließend in einem Ofen 88 getrocknet werden.
Die beiden Möglichkeiten können auch kombiniert werden, wie 26 zeigt. Hierbei werden zunächst die Hybridrovings 12 durch die Trockenstrecke 84 geleitet, und dann auf eine Spule 86 aufgewickelt, die anschließend noch in einen Ofen 88 zur endgültigen Trocknung überführt wird. Um effektiv trocknen zu können, muss hierbei die Umgebungsluftfeuchtigkeit niedrig gehalten werden. Zum Aufwickeln der Hybridrovings 12 auf die Spule 86 dient ein so genannter Winder. Dieser ist genau wie das Gatter 36 softwaregesteuert, so dass alle Varianzen, beispielsweise in Fördergeschwindigkeit, sofort kompensiert werden. Hierdurch werden Zugspannungen gedämpft und gering gehalten. Der Antrieb erfolgt such hier durch hochsensible schwingungsgedämpfte Linearmotoren, um so wenig Schwingungen wie möglich zu verursachen.
Ein weiteres zu lösendes Problem ist das Schrumpfungsverhalten der Thermoplastfilamente 16. Beim späteren Konsolidieren des Faserverbundwerkstoffes unter. Verwendung der Hybridrovings 12 könnte ansonsten das Polyamid der thermoplastischen Fasern 16 sich in seiner Länger verkürzen und damit das Glas im Hybridroving 12 aufwerfen. Dieses Problem kann auf verschiedenen Wegen gelöst werden. Beispielsweise können vorgeschrumpfte Thermoplastfasern 16 verwendet werden. Diese werden, bevor sie mit den Verstärkungsfasern 14 zusammen kommen, einer Vorbehandlung unterzogen. Eine weitere Variante ist das Kompensieren des Schrumpfes durch eine spezielle Aufwickeltechnik. Auch ein Aufspannen eines Gewebes aus den Hybridrovings 12 ist möglich, um den Schrumpf durch Relaxation zu kompensieren.
Insgesamt ist das gesamte System vollständig sensorüberwacht und softwaregesteuert. Durch eine adaptive Schwingungskompensation werden Schwingungen durch Gegenschwingungen kompensiert. Hierdurch können Schwingungen und Spannungen im gesamten System verringert werden.
Die für die Herstellung des Hybridrovings 12 verwendeten Glasfilamente 44 müssen einen möglichst geringen Titer beziehungsweise Tex aufweisen. Es ist zudem abhängig von der Dicke der einzelnen Fasern des Rovings. Ein Roving 48 mit dicken Filamenten 14, beispielsweise in der Größenordnung von 17 μm, besteht aus weniger Filamenten, läuft aber konstanter mit geringer Geschwindigkeit. Insgesamt ist bei derartigen Rovings 48 die Steifigkeit beziehungsweise Festigkeit größer und der Prozess deutlich stabiler. Ein Roving 48 mit dünnen Filamenten, beispielsweise in der Größenordnung von 10 μm, würde mehr Filamente umfassen, läuft jedoch während der Verarbeitung nicht so stabil. Rovings 48 aus dünnen Filamenten weisen jedoch auf Kosten und Gewicht bezogen eine verbesserte Steifigkeit und ein verbessertes Gewicht auf.
Insgesamt kann durch das Verfahren sichergestellt werden, dass kein Verkleben der Verstärkungsfasern 14 untereinander stattfindet, da diese feucht verarbeitet beziehungsweise verfacht werden. Gleichzeitig wird der Imprägniergrad und die Qualität erhöht. Durch die besonders gut gerichteten Fasern 14, 16 tritt keine Knotenbildung auf, so dass die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Aufgrund der sehr guten Querschnittsverteilung der Fasern 14, 16 ist die Konsolidierungsqualität des Hybridrovings 12 besonders gut. Durch die geringere Konsolidierungszeit wird bei der Weiterverarbeitung die Zykluszeit reduziert, was die Produktionskosten der aus den Hybridrovings 12 produzierten Faserverbundbauteile senkt.
Das Verfahren ist insgesamt besonders stabil, wodurch die Kosten verringert und die Qualität erhöht wird. Solche besonders fein verteilten Hybridrovings 12 lassen sich sehr gut mit verschiedenen Verfahren, wie beispielsweise dem Weben oder Stricken, zu Textilen verarbeiten. Reine Glasfaserrovings lassen sich dagegen schlecht weben. Hierdurch wird eine erhöhte Webgeschwindigkeit ermöglicht und Brüche vermieden. Durch die Vermeidung von Brüchen können auch Unterbrechungen beim Weben reduziert werden, so dass bei Verwendung von mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Hybridrovings die Bedienung mehrerer Webmaschinen durch einen einzelnen Werker möglich ist, was die Personalkosten deutlich verringert und insgesamt die Konsolidierungskosten bei der Herstellung von Faserverbundkunststoffhalbzeugen minimiert.
Bezugszeichenliste

12: Hybridrovings
14: Verstärkungsfasern
14: Glasfasern
14: Filamenten
16: Verstärkungsfasern
18: Vorrichtung
20: Vorrichtung
22: Spreizvorrichtung
24: Achsen
26: Spreizkanten
28: Lockerungsvorrichtung
30: Faserbündel
32: Pfeile
34: Rollen
40: Einzelrovings
36: Gatter
38: Spule
40: Faserbündel
40: Thermoplastbündel
42: Spule
44: Verstärkungsfaserbündel
44: Glasfilamente
46: Führung
48: Einzelroving
50: Rahmen
52: Antriebseinheiten
56: Vorrichtung
58: Stahllitzen
66: Förderband
68: Fördersystem
70: Galetten
72: Laufflächen
76: Kamm
78: Zähne
82: Kanal
82: Trichter
84: Trockenstrecke
86: Spule
88: Ofen

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 102007028373 A1 [0002]
DE 69308994 T2 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Hybridrovings (12) aus thermoplastischen Fasern (16) und Verstärkungsfasern (14), mit den Schritten: a) Abrollen eines Verstärkungsfaserbündels (44) von einer Spule (42); b) Aufteilen des Verstärkungsfaserbündels (44) in eine Mehrzahl von Einzelrovings (48); c) alternierendes Zusammenführen von Einzelrovings (48) der Verstärkungsfasern (14) mit Einzelrovings (40) von thermoplastischen Fasern (16) in einer Ebene; d) Bündeln der zusammengeführten Einzelrovings (40, 48) zu einem Garn (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (14) im feuchten Zustand verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bündeln das Garn (12) getrocknet und aufgerollt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrovings (48) der Verstärkungsfasern (14) weniger als 100, insbesondere zwischen 3 und 6 Verstärkungsfasern (14) umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrens die Verstärkungsfasern (14) mittels eines Förderbandes (66) und/oder mittels Galetten (70) und/oder mittels Stahllitzen (58) transportiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bündeln der Einzelrovings (40, 48) diese durch einen Kanal (82) mit kreisförmigem, entlang seiner Erstreckung abnehmenden Querschnittsprofil geführt werden.