DE102011017328A1

DE102011017328A1 - Bestrahlungsvorrichtung für Faserverbundmaterial

Info

Publication number: DE102011017328A1
Application number: DE102011017328A
Authority: DE
Inventors: Sven Linow
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2011-04-17
Filing date: 2011-04-17
Publication date: 2012-10-18
Also published as: US20140044965A1; EP2699721A1; WO2012143076A1; CN103620102A

Abstract

Eine Vorrichtung, beinhaltend: – einen Halterungsbereich beinhaltend eine erste Halterung für ein erstes Garn und mindestens eine weitere Halterung für mindestens ein weiteres Garn, – mindestens einen Kontaktbereich zum Kontaktieren des ersten Garns und des mindestens einen weiteren Garns, wobei mindestens eine Strahlungsquelle, zwischen dem Halterungsbereich und dem Kontaktbereich vorgesehen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Herstellen eines Verbunds, eine Verfahren zur Herstellung eines Verbunds sowie einen Verbund erhältlich nach diesem Verfahren. Im Besonderen dient die Erfindung der optimierten Behandlung von Garnen während des Verbundherstellprozesses mittels Strahlung.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Verarbeitung von Fasern bzw. Garnen für Faserverbundmaterialien bekannt, bei denen zunächst mindestens zwei Garne oder Fasern miteinander verwoben oder auf andere Weise miteinander verbunden werden und anschließend einem Erwärmungsprozess ausgesetzt werden, um eine ausreichende Verbindung oder Verschmelzung der Garne zu erhalten. Dies ist beispielsweise in der US 4,800,113 beschrieben und für verschiedene Anwendungen bekannt.
Aus der EP-A-0 717 133 bzw. US 5,688,594 ist bekannt, dass verschiedenartige Fasern oder Gewebe miteinander verarbeitet werden könne, um ein permanent verformbares Textilmaterial bereitstellen zu können. Auch hier wird aus ein oder mehreren Garnen eine Struktur gewebt, die anschließend mit weiteren Strukturen durch Hitzeeinwirkung verbunden wird, um unterschiedliche Eigenschaften der einzelnen Materialien in dem Verbundmaterial nutzen zu können.
In der DE-A-10 2007 037 316 wird beschrieben, wie thermoplastische Formmassen auf Basis von Thermoplasten mit einem elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Füllstoff und einem weiteren thermisch und elektrisch leitfähigen Füllstoff hergestellt werden. Diese zum Teil isolierenden Thermoplaste und die elektrisch leitfähigen Thermoplaste müssen in einem Verbund zusammengefügt werden, um ihre jeweiligen Eigenschaften zu erhalten und so für die Zwecke eines gut isolierten elektrischen Leiters zu dienen.
Die Verwendung von Carbonfasern zur Verstärkung von Thermoplasten zu Verbundmaterialien wird in der EP-A-1 988 118 beschrieben. Auch hier wird eine Erwärmung der bereits kontaktierten Fasern durch Kontaktwärme beschrieben.
Die Herstellung von dreidimensionalen Strukturen auf Basis von Verbundmaterialien wird in der EP-A-0 884 153 dargelegt. Hierzu wird ein Formprozess benutzt bei dem die Materialien zusammen erhitzt werden und dabei in eine dreidimensionale Form gepresst werden.
Die DE-A-10 2009 034 767 beschäftigt sich mit Organoblechstrukturbauteilen, die zu einem Teil aus strukturversteifenden Kunststoffen und Thermoplasten bestehen. Diese Materialien werden ebenfalls als Verbundmaterialien hergestellt.
In der DE-A-10 2005 027 879 wird die Herstellung eines Faserverbundmaterial aus einer Matrix und einem in die Matrix eingebetteten Rundgeflechts beschrieben. Zum Herstellen des Rundgeflechts werden beispielsweise Hybridgarne verwendet, die mit anderen Kunststofffasern, Carbonfasern oder Glasfasern zu einem knickstabilen Faserverbundwerkstoff verarbeitet werden.
Die aus den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erhältlichen Verbunde sind hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften weiterhin verbesserungswürdig. Zudem ist die Effizienz dieser Verfahren zu verbessern. So weisen die nach den Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellten Verbunde meist eine verbesserungswürdige Homogenität auf.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mindestens einen der sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile mindestens teilweise zu überwinden. Insbesondere sollen die Materialeigenschaften der Verbundmaterialien bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz des Herstellungsverfahrens verbessert werden.
Zudem besteht eine erfindungsgemäße Aufgabe darin, die Haftung der einzelnen Lagen des im Verbund zu verbessern.
Weiterhin liegt eine erfindungsgemäße Aufgabe darin, das Bilden von Gasblasen beim Aufeinanderlegen der zu dem erfindungsgemäßen Verbund zu verarbeitenden Lagen zu vermindern. So soll ein möglichst gleichmäßiger Verbund mit einer glatten Oberfläche erhalten werden.
Außerdem liegt eine erfindungsgemäße Aufgabe darin, möglichste effizient einen Verbund mit möglichst weinigen Fehlstellen bereit zu stellen.
Beschreibung
Einen Beitrag zur Lösung mindestens einer der vorstehenden Aufgaben leistet die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Patentansprüchen dargestellt.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, beinhaltend:

– einen Halterungsbereich beinhaltend eine erste Halterung für ein erstes Garn und mindestens eine weitere Halterung für mindestens ein weiteres Garn,
– mindestens einen Kontaktbereich zum Kontaktieren des ersten Garns und des mindestens einen weiteren Garns,

Die Vorrichtung dient dazu, ein erstes und mindestens ein weiteres Garn so miteinander in Kontakt zu bringen, dass ein Faserverbund oder ein Faserverbundvorläufer, auch Verbundvorläufer genannt, entsteht. Der Verbundvorläufer kann weiter zu einem Faserverbund verarbeitet werden, welcher auch als Faserverbundmaterial oder Faserverbundwerkstoff bezeichnet wird. Das Garn, auch als Faser oder Gewebe bezeichnet, kann dabei aus jedem Material sein, das der Fachmann zur Bildung eines Faserverbundmaterials aussuchen würde. Es können beispielsweise Carbon-, Glas-, Keramik- oder Kunststoffmaterialien, beispielsweise in Form von Fasern, oder Kombinationen hieraus als Ausgangskomponente verwendet werden. So können auch Hybridgarne verwendet werden, die bereits mehr als eine Ausgangskomponente beinhalten. Bevorzugte Hybridgarne beinhalten neben Kunststoff auch Glas oder Carbon oder einer Kombination der beiden. Je nach späterer Verwendung können die Garne oder Fasern anorganische oder organische Zusätze haben, um beispielsweise elektrische Leitfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials zu erhöhen oder zu erniedrigen. Die vorzugsweise als Fasern vorliegenden Kunststoffmaterialien können thermoplastische Kunststoffe oder duroplastische Kunststoffe oder eine Kombination daraus sein. Die Kunststoffmaterialien sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyamide (PA), Polybutylterephthlat (PBT), Polyester, Polyesteramide, Polycarbonate (PC), Polyethylen (PE), Polyether-Ketone (PEK), Polyacrylnitrile (PN), Polyolefine, Polyimide (PI), Polyurethane (PU) Kautschuk und Aramide, sowie mindestens zwei davon. Bevorzugt sind die Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen (PP), Poly-(bis-benzimidazo-benzophenanthrolin) (BBB), Poly-(amidimiden) (PAI), Polybenzimidazol (PBI), Poly-(p-phenylenbenzo-bisoxazol) (PBO), Poly-(p-phenylenbenzo-bisthiazol) (PBT), Polyetherketon (PEK), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetheretherketonketon (PEEKK), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyethylenterephthalat (PET), Polyoxymethylen (POM), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyetherimiden (PH), Polyethersulfon (PESU), Poly-(m-phenylen-isophthalamid) (PMIA), Poly-(m-phenylen-terephthalamid) (PMTA), Poly-(p-phenylen-isophthalamid) (PPIA), Poly-(p-phenylen-pyromellitimid) (PPPI), Poly-(p-Phenylen) (PPP), Poly-(phenylensulfid) (PPS), Poly-(p-phenylen-terephthalamid) (PPTA), Polysulfon (PSU), Polyethersulfon (PESU) und Neopren sowie mindestens zwei hiervon. Besonders bevorzugt sind Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PES, PEEK, PEI, PPA, PPS und PI oder mindestens zwei davon. Durch die Verarbeitung von verschiedenen Materialien können die verschiedenen Eigenschaften der Materialien in dem Verbund vereinigt werden. So kann durch die geeignete Wahl eines Kunststoffes die Hitzebeständigkeit eines Verbundes positiv beeinflusst werden, während das Einbringen von Carbon die elektrische Leitfähigkeit oder Reiß- und Zugfestigkeit beeinflussen kann. Für die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit können zudem auch Metalle als Garne oder als Zusätze beispielsweise in Form von Partikeln mitverarbeitet werden.
Nach dem Kontaktieren des ersten Garns oder eines des mindestens einen weiteren Garns mit dem ersten Garn oder einem des mindestens einen weiteren Garns in dem Kontaktbereich, kann beispielsweise in einem darauffolgenden Schritt der bevorzugt als Profil vorliegende Verbundvorläufer konsolidiert, also verfestigt werden. Häufig erfolgt diese Konsolidierung durch Erwärmen des Verbundvorläufers. Hierbei liegen Temperaturen oft in einem Bereich von 180 bis 380°C, vorzugsweise in einem Bereich von 200 bis 300°C und besonders bevorzugt in einem Bereich von 210 bis 270°C. Allgemein gilt bei der Auswahl der Temperaturen, dass diese oberhalb der Erweichungstemperatur der Kunststoffe, jedoch noch unterhalb der Temperatur, bei der während der Dauer der Konsolidierung schon eine Zersetzung der Kunststoffe zu beobachten wäre, liegen. Das Konsolidieren kann auch unter Druck erfolgen. Hierbei liegen Drücke oft in einem Bereich von 100 mbar bis 30 bar, vorzugsweise in einem Bereich von 200 mbar bis 20 bar und besonders bevorzugt in einem Bereich von 250 mbar bis 10 bar. Es können dabei beispielsweise noch weitere Kontaktierungsschritte von bereits kontaktierten Garnen mit oder ohne Vorwärmen stattfinden. Das Garn oder das Gewebe kann verschiedene Formen aufweisen. Handelt es sich um ein nicht gewebtes oder anderweitig verarbeitetes Garn so kann es sich bevorzugt um eine fadenförmige Struktur handeln, die vorzugsweise eine Länge in einem Bereich von 1 bis 100 Kilometer besitzen kann.
Die einzelnen Fäden, Filamente oder Fasern des Garnes weisen bevorzugt eine Dicke in einem Bereich von 1 μm bis 100 μm auf und vorzugsweise in einem Bereich von 1,1 bis 15 μm auf. Das Garn kann vorzugsweise eine Dicke in einem Bereich von 0,05 mm bis 10 mm, bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 5 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 3 mm haben. Handelt es sich um ein Garn um ein Gewebe, Gewirke, Gelege oder Tape, so kann dieses vorzugsweise ein Flächengewicht in Bereich von 50 g/m² bis 5,000 g/m², vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 1000 g/m² und besonders bevorzugt in einem Bereich von 100 bis 200 g/m² aufweisen.
Das erste Garn oder das mindestens eine weitere Garn kann auch bereits in einem gewebten, geflochtenen oder gewirkten Zustand, sowie als unidirektionales Tape auf der Halterung vorgelegt werden. Dabei kann die gewebte, geflochtene oder gewirkte Struktur durch Verarbeiten von Fasern unterschiedlichen Ausgangsmaterialien entstanden sein. Die Ausgangsmaterialien können die bereits für die Garne genannten Materialien und jede denkbare Kombination daraus sein.
Neben Garnen können auch Gewirke, Gelege oder Tapes, vorzugsweise sogenannte unidirektionale Tapes, eingesetzt werden. Letztere weisen allgemein eine Vielzahl nebeneinander liegender und in die gleiche Richtung verlaufende Einzelgarne auf, die miteinander verbunden sind. Für diese Tapes gelten die Ausführungen zu Garnen entsprechend. So können diese Tapes vorzugsweise ein Flächengewicht in Bereich von 50 g/m² bis 5,000 g/m², vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 1000 g/m² und besonders bevorzugt in einem Bereich von 100 bis 200 g/m² aufweisen.
Das erste Garn sowie das mindestens eine weitere Garn sind auf einer Halterung angebracht. Bevorzugt sind die Garne auf der Halterung aufgewickelt, um während des Verarbeitungsprozesses der Garne leicht zugänglich gemacht werden zu können, indem sie einfach abgerollt werden. Die Halterungen sind beispielsweise als Stäbe ausgestaltet, beispielsweise in Form eines Klöppels oder Spule, um die das Garn gewickelt ist. Liegt das Garn bereits in gewebtem, geflochtenem oder gewirktem Zustand vor, so weist die Halterung beispielsweise eine flächige Struktur in Form einer Ablage auf. Die Halterung kann aus jedem für den Einsatz in der Vorrichtung geeigneten Material sein. Vorzugsweise besteht die Halterung aus Holz oder Kunststoff, sie kann jedoch auch aus Metall oder einer Keramik gefertigt sein. Ihre Maße sind den Abmessungen der Vorrichtung angepasst. Die Länge der stabförmigen Halterung kann beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 50 cm, bevorzugt in einem Bereich von 1 und 20 cm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 10 cm liegen. Der Durchmesser der stabförmigen Halterung kann beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 100 mm, bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 50 mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 40 mm liegen.
Die erste und mindestens eine weitere Halterung bilden zusammen einen Halterungsbereich der Vorrichtung. Weist die Vorrichtung ein Gehäuse auf, so kann der Halterungsbereich innerhalb aber auch außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Die Halterungen können zumindest zu einem Teil von einem Halterungsgehäuse umgeben sein. Dieses Halterungsgehäuse kann beispielsweise Strahlung von der Strahlungsquelle vor dem Garn auf der Halterung abschirmen, um beispielsweise einer vorzeitigen Alterung des Garns vorzubeugen. Der Halterungsbereich ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass er das Garn ungehindert in der Vorrichtung zugänglich macht. Der Halterungsbereich sollte jedoch so weit von der Strahlungsquelle und dem Kontaktbereich entfernt sein, dass das Garn auf der Halterung nicht vorzeitig beispielsweise durch Strahlung, Temperatur, Druck oder Verunreinigungen belastet werden kann. Um einen unnötig weiten Transportweg für das Garn von der Halterung zu der Strahlungsquelle und dem Kontaktbereich zu ermöglichen sollte der Halterungsbereich jedoch auch nicht zu weit hiervon entfernt liegen.
Die Vorrichtung weist darüber hinaus einen Kontaktbereich auf. Dieser Kontaktbereich dient zum Kontaktieren des ersten Garns und des mindestens einen weiteren Garns, das wie bereits erwähnt auch als Gewebe vorliegen kann. Vorzugsweise ist der Kontaktbereich so ausgestaltet, dass mindestens eines der Garne in diesen hineinziehbar ist. Der Kontaktbereich kann beispielsweise eine Längenausdehnung in einem Bereich von 0,1 mm bis 10 m aufweisen, bevorzugt in einem Bereich von 0,5 mm bis 1 m, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 mm bis 30 cm. Die Längenausdehnung richtete sich meist nach der Größe des Bereichs, in dem die Garne, Gewebe oder Tapes zusammengeführt und zu dem Vorverbund durch Umschlingen wie Flechten, Häkeln, Legen oder Stricken von mindestens zwei der Garne, Gewebe oder Tapes verarbeitet werden. Der Kontaktbereich kann für mindestens eines der Garne eine Führung, meist in Form einer, vorzugsweise länglichen, Ausnehmung aufweisen. Die Längenausdehnung hängt dabei von dem verwendeten Garn ab. Handelt es sich beispielsweise um ein noch nicht gewebtes Garn mit einer Dicke in einem Bereich von 0,1 bis 10 nun, so ist die Längenausdehnung des Kontaktbereiches wenige Millimeter bis 10 cm. Handelt es sich jedoch um bereits gewebte Garne so kann der Kontaktbereich mehrere Meter betragen. In diesem Ausdehnungsbereich des Kontaktbereiches treffen sich die mindestens zwei Garne. Vorzugsweise befindet sich der Kontaktbereich innerhalb des Gehäuses oder innerhalb einer Öffnung des Gehäuses, wenn die Vorrichtung ein Gehäuse aufweist. Durch die Öffnung in dem Gehäuse wird der entstandene Verbund bzw. der Verbundvorläufer aus der Vorrichtung geleitet, um anschließend möglicherweise weiteren Prozessschritten unterzogen zu werden. Aufgrund der Anordnung des Kontaktbereichs zur Strahlungsquelle und zum Halterungsbereich wird mindestens das erste Garn oder mindestens eins des mindestens einen weiteren Garns durch die Strahlung der Strahlungsquelle erwärmt. Der Kontaktbereich kann dabei in Größe und Geometrie unterschiedlich ausgestaltet sein, solange er ein Kontaktieren von mindestens dem ersten Garn und mindestens einem des mindestens einen weiteren Garns ermöglicht. So kann der Kontaktbereich für vereinzelte Garne eine Größe in einem Bereich von wenigen, vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 10.000 cm³ und besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 500 cm³ liegen. Bei Garnen in Form von größeren Geweben kann der Kontaktbereich auch mehrere Kubikmeter betragen. Das erste Garn kann aus dem gleichen Material bestehen wie das mindestens eine weitere Garn. Das erste Garn kann alternativ aus einem anderen Material bestehen wie das mindestens eine weitere Garn. Wie bereits erwähnt, kann eines der Garne bereits in einem bereits gewebten, geflochtenen oder gewirkten Zustand vorliegen. Wiederum kann das erste Garn oder mindestens eines des mindestens einen weiteren Garns oder alle Garne, die in dem Kontaktbereich kontaktiert werden durch den Strahlungsbereich der Strahlungsquelle geführt worden sein.
Die Vorrichtung weist weiterhin mindestens eine Strahlungsquelle auf, die zwischen dem Halterungsbereich und dem Kontaktbereich vorgesehen ist. Das Garn wird bevorzugt von der Halterung im Halterungsbereich an der Strahlungsquelle vorbei zu dem Kontaktbereich geführt. Hierbei wird es durch die Strahlung der Strahlungsquelle erwärmt und in dem Kontaktbereich mit mindestens einem weiteren Garn kontaktiert. Das weitere Garn kann ebenfalls an der Strahlungsquelle vorbei geführt werden, es kann jedoch auch von der weiteren Halterung direkt ohne Vorwärmen zu dem Kontaktbereich geführt werden. Auf diese Weise kann ein Teil der Garne vorgewärmt und ein weiterer Teil der Garne nicht vorgewärmt in den Kontaktbereich eingebracht werden. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass mindestens ein Teil der Garne durch die Strahlungsquelle über seinen Querschnitt gleichmäßig vorgewärmt werden. Als gleichmäßig wird hierbei vorzugsweise eine Abweichung von der Zieltemperatur in Celsius von weniger als 5% verstanden, dies entspricht bei einer erfindungsgemäßen Vorwärmung der auf 200°C einer Abweichung von ±10°C. Es werden Abweichungen geringer als ±5°C von der Zieltemperatur bevorzugt und ±2°C besonders bevorzugt.
Die Strahlungsquelle kann jede dem Fachmann bekannte Strahlungsquelle sein, die es ermöglicht in ihrer Umgebung eine Temperaturerhöhung hervorzurufen. Dies kann eine Strahlungsquelle sein, die Strahlung im sichtbaren aber auch im nichtsichtbaren Bereich aussendet. Hierbei handelt es sich bevorzugt um elektromagnetische Strahlung, vorzugsweis Wärmestrahlung bzw. Infrarotstrahlung. Die mindestens eine Strahlungsquelle kann dabei Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 200 nm bis 1 mm abstrahlen, bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 20 μm, besonders bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 780 nm bis 10 μm. Es kann sich bei der Strahlungsquelle auch um mehrere Strahler handeln, die vorzugsweise in unterschiedlichen Geometrien zu einander angeordnet werden können. Zusammen bilden sie den Strahlungsbereich der Vorrichtung. Es kann sich beispielsweise um mehrere stabförmig ausgebildete Strahler handeln, die im Kreis oder nebeneinander angeordnet sein können. Es kann sich alternativ auch um mehrere punktförmige Strahler handeln. Bevorzugt wird durch die Strahlungsquelle ein homogen gewärmter Strahlungsbereich innerhalb der Vorrichtung erzeugt. Es weiterhin bevorzugt, mindestens einen Teil der Garne durch diesen homogen gewärmten Strahlungsbereich durchzuführen. So kann eine möglichst gleichmäßige Erwärmung der Garne erreicht werden.
Die Vorrichtung kann zusätzlich ein Gehäuse aufweisen, das mindestens Teile der Vorrichtung umgibt. So kann zumindest die Strahlungsquelle von einem Gehäuse umgeben sein, um die Strahlung nicht in die Umgebung abstrahlen zu lassen. Weiterhin können sich auch mindestens eine der Halterungen oder der Kontaktbereich in dem Gehäuse befinden. Das Gehäuse ist in seinen Dimensionen den zuvor beschriebenen Teilen, die es beherbergen kann, angepasst. So kann das Gehäuse ein Volumen in einem Bereich von 1 bis 50.000 l, bevorzugt in einem Bereich von 10 bis 20.000 l, besonders bevorzugt in einem Bereich von 100 bis 10.000 l aufweisen. Bevorzugt ist das Gehäuse aus einem Material gefertigt, das von der Strahlung nicht in seiner Form und Funktion verändert wird. Dies können beispielsweise wärmebeständige Kunststoffe oder Metall sein. In dem Gehäuse können sich weiterhin Temperiereinheiten, vorzugsweise Belüftungseinrichtungen, beispielsweise in Form von Ventilatoren befinden, die ein Überhitzen der Vorrichtung verhindern sollen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist mindestens eine der mindestens einen Strahlungsquelle ein Infrarotstrahler. Ein Infrarotstrahler strahlt elektromagnetische Wellen in einem Wellenlängenbereich von 700 bis 20.000 nm, bevorzugt in einem Bereich von 1.000 bis 10.000 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 1500 bis 2000 nm aus.
Thermische Infrarotstrahler sind insbesondere durch die Wellenlänge, bei der die maximale spektrale Emission erfolgt, gekennzeichnet. Diese Peakwellenlänge ist direkt mit der Temperatur der emittierenden Oberfläche verknüpft. In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung hat mindestens eine der mindestens einen Strahlungsquelle eine Leistung in einem Bereich von 1 bis 100 W/cm, bevorzugt in einem Bereich von 2 bis 50 W/cm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 20 W/cm, bezogen auf die Länge des Strahlers.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist mindestens eine der mindestens einen Strahlungsquelle ringförmig ausgebildet. Dabei können beispielsweise mehrere längliche Strahler ringförmig angeordnet sein oder ein Strahler als Ring ausgestaltet sein. Weiterhin ist es bevorzugt die Strahlungsquelle kegelförmig auszugestalten. Die kann wiederum durch Anordnung von mehreren ringförmigen Strahlern mit unterschiedlichem Durchmesser ausgeführt werden oder mit einem Strahler der in mehreren Schleifen eine Kegelform ergibt. Bei einer Kegelform ist es weiterhin bevorzugt, dass der den Halterungsbereich zugewandte Querschnitt des Kegels größer ist als der dem Kontaktbereich zugewandte Querschnitt des Kegels.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung liegt eine durch das erste Garn zwischen dem Halterungsbereich und dem Kontaktbereich sich erstreckende Garnlinie innerhalb eines durch die ringförrmig ausgebildete Strahlungsquelle gebildeten Rings. So können eine Vielzahl der ausgehend von dem Halterungsbereich in den Kontaktbereich geführte Garne gleichmäßig bestrahlt und erwärmt werden.
Weiterhin bevorzugt ist der Halterungsbereich relativ zum Kontaktbereich beweglich. Vorzugsweise bewegen sich die erste und die mindestens eine weitere Halterung um eine durch den Kontaktbereich laufende Achse, wobei vorzugsweise die Halterungen eine Drehbewegung um diese Achse ausführen. Zudem bevorzugt ist der Halterungsbereich relativ zur Strahlungsquelle beweglich. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Strahlenquelle starr und der Halterungsbereich und bevorzugt die Halterungen zu der Strahlenquelle beweglich sind. Durch die bewegliche Anordnung von Halterungsbereich zu dem Kontaktbereich wird gewährleistet, dass der Zug auf das Garn bei seiner Verarbeitung in der Vorrichtung nicht so groß werden kann, dass das Garn zu dünn wird oder reißt. Zudem trägt diese Bewegung zu einer möglichst gleichmäßige Erwärmung der Garne bei.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist mindestens ein Reflektor zwischen dem Halterungsbereich und dem Kontaktbereich vorgesehen. Der mindestens eine Reflektor kann parallel zu der Ausrichtung der Strahlenquelle angeordnet sein. Es können auch mehrere Reflektoren so um die Strahlenquelle angeordnet sein, dass der Strahlungsbereich homogen erwärmt wird. Dies ist besonders bevorzugt in einer kegelförmigen Anordnung von Strahlungsquelle und Reflektoren. So können sich innerhalb oder außerhalb des Kegels Reflektoren befinden, die die Strahlung der Strahlenquelle in den Strahlungsbereich zurückreflektieren. Der mindestens eine Reflektor kann auch jedem Material bestehen, das zur Reflektion von elektromagnetischen Wellen geeignet ist. Dies sind vor allem metallische Flächen. So kann der mindestens eine Reflektor eine metallische Oberfläche aufweisen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Eisen, insbesondere Stahl, Silber, Gold und Kupfer oder mindestens zwei davon. Bevorzugt besteht zumindest die Oberfläche des Reflektors aus Aluminium. Die Reflektoren können zum einen dazu dienen, dass der Strahlungsbereich homogen erwärmt wird und zum anderen, dass die Energie der Strahlungsquelle effizient genutzt wird. In einer bevorzugten Ausführung ist der Reflektor spekular oder diffus reflektierend. Spekular reflektierende Oberflächen sind bevorzugt blank, poliert oder geläppt. Als diffus reflektierende Oberflächen kommen neben den genannten Stoffen, bevorzugt in sandgestrahlter oder glasgeperlter Oberflächenstruktur auch keramische Reflektoren in Frage.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kontaktbereich eine Garnzugeinrichtung auf oder eine Garnzugeinrichtung folgt auf den Kontaktbereich oder beides. Die Garnzugeinrichtung kann verschieden ausgestaltet sein, je nachdem welche Form oder Gestalt das Garn bzw. Gewebe hat. Die Garnzugeinrichtung kann beispielsweise in Form einer Zange ausgestaltet sein, die das an dem Kontaktbereich entstandene Vorläuferverbundmaterial aus dem Kontaktbereich zieht. Eine alternative Ausgestaltung der Garnzugeinrichtung können Bänder oder Rollen sein, die das entstandene Verbundmaterial oder Vorläuferverbundmaterial einschließen und durch Bewegen der Rollen oder Bänder das Material von dem Kontaktbereich wegziehen. Diese Art der Bewegung ist aus dem im Stand der Technik bekannten Pultrusionsverfahren bekannt, dessen Anwendung beispielsweise in der Norm EN 13706-1:2002 geregelt ist. Durch die Zugbewegung des Garns wird das Garn bzw. Gewebe, bevorzugt gleichmäßig, von der Halterung zu dem Kontaktbereich bewegt. Handelt es sich um ein Garn oder Gewebe, das vor dem Kontaktieren erwärmt werden soll, so wird das Garn bzw. Gewebe auf dem Weg von der Halterung zu dem Kontaktbereich automatisch an der Strahlungsquelle vorbeigeleitet. Die Garnzugeinrichtung zieht das Garn bzw. Gewebe beispielsweise mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 1 mm/min bis 100 m/min, bevorzugt in einem Bereich von 10 mm/min bis 10 m/min, besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 cm/min bis 5 m/min. Es kann ebenso in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass mindestens zwei Gruppen von Halterungs- und Kontaktbereichen mit einem zwischen beiden vorgesehenen Strahlungsbereich aufeinander folgen. Dieses ist immer dann bevorzugt, wenn eine Vorverbund bzw. ein daraus entstehender Verbund mit zwei und mehr Lagen entstehen soll. In diesem Fall kann eine Garnzugeinrichtung auf mindestens einen Kontaktbereich folgen. Daher kann die Garnzugeinrichtung nicht nur das Gran oder Tape unmittelbar sondern auch über einen Vorverbund bzw. Verbund mittelbar bewegen. Sofern Flächengebilde wie Gelege, Gewirke, Gewebe oder Tapes erfindungsgemäß eingesetzt werden, können auch diese durch die Garnzugseinrichtung vergleichbar bewegt werden.
In einem Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Kontaktbereich einen Formkörper auf. Der Formköper kann jede beliebige Form annehmen, die dazu geeignet ist die mindestens zwei Garne aufzunehmen und bevorzugt auch zu führen. Der Formkörper kann dabei mindestens das erste und mindestens eines des mindestens einen weiteren Garns zusammen aufnehmen kann. Dies kann beispielsweise ein länglicher Formkörper sein, wie beispielsweise ein Rohr oder eine Dom. Vorzugsweise werden die zu kontaktierten Garne, Gewebe oder Tapes um den Formkörper gedreht werden und dabei übereinander gelegt oder geflochten werden. Auf diese Weise kann ein röhrenförmiges Profil des Faserverbundmaterials erhalten werden. Der Formkörper kann in seinem Querchmitt auch dreieckig, viereckig oder mehreckig, elliptisch oder rhombisch geformt sein, sodass Profile des Verbundes oder des Verbundvorläufers unterschiedlichster Form und Gestalt erhalten werden können.
Weiterhin ist einer erfindungsgemäßen Ausführungsform bevorzugt, dass mindestens das erste Garn oder das weitere Garn zwischen Halterungsbereich und Kontaktierungsbereich so zu der mindestens einen Strahlungsquelle angeordnet ist, dass der bestrahlte Teil des ersten Garns oder des weiteren Garns von einer ersten Temperatur T₁ auf eine zweite Temperatur T₂, erwärmbar ist. Durch die Bestrahlung durch die Strahlungsquelle weisen die Garne, die durch den Strahlungsbereich geführt wurden eine, gegenüber der ursprünglichen Temperatur T₁, die das jeweilige Garn auf der Halterung besaß, erhöhte Temperatur T₂ auf. Die Temperatur T₁ des jeweiligen Garns sollte dabei bevorzugt unter dem Erweichungspunkt des jeweiligen Garns liegen, damit das Garn bzw. Gewebe nicht während es zum Kontaktbereich geführt wird abreißt. Gewöhnlich liegt die Temperatur T₁ in einem Bereich von –10 bis 60°C, bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 40°C, besonders bevorzugt in einem Bereich von 15 bis 40°C. Durch das Hindurchführen des Garns durch den Strahlenbereich, wird das Garn vorzugsweise auf eine Temperatur T₂ erwärmt. Hierbei liegen Temperaturen T₂ oft in einem Bereich von 180 bis 380°C, vorzugsweise in einem Bereich von 200 bis 300°C und besonders bevorzugt in einem Bereich von 210 bis 270°C. Allgemein gilt bei der Auswahl der Temperaturen T₂, dass diese oberhalb der Erweichungstemperatur der Kunststoffe, jedoch noch unterhalb der Temperatur, bei der während der Dauer der Bestrahlung schon eine Zersetzung der Kunststoffe zu beobachten wäre, liegen.
Um eine geeignete Steuerung der Temperaturverhältnisse in der Vorrichtung vornehmen zu können, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin ein Pyrometer aufweisen, das dazu dient kontaktlos die Wärmestrahlung in einem bestimmten Bereich in der Vorrichtung zu messen. Hierdurch kann die Steuerung der mindestens einen Strahlungsquelle vorgenommen werden, sodass ein Überhitzen der Garne bzw. Gewebe vermieden werden kann. So kann neben dem Pyrometer noch eine Steuereinheit mit dem Pyrometer und der Strahlungsquelle verbunden sein, das den Energieeintrag in die Strahlungsquelle regelt, sodass ein Abweichen der Temperatur T₂ des Garns bevor es in den Kontaktbereich eintritt in einem Bereich von 0,1 bis 10°C, bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 5°C, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,5 bis 2°C gewährleistet werden kann. Die Steuerung der Temperatur T₂ ist besonders bei der Verwendung von Hybridgarnen sehr anspruchsvoll, da diese mindestens zwei Komponenten enthalten die einen unterschiedlichen Erweichungspunkt aufweisen. Da das Garn auf der einen Seite ausreichend vorgewärmt werden soll, aber auf der anderen Seite nicht zu heiß werden darf, um keinen Schaden zu nehmen, sollte bei den Hybridgarnen eine Temperatur unterhalb der Zersetzungtemperatur, bevorzugt jedoch unterhalb der Erweichungstemperaturen der temperaturempfindlicheren Komponente gewählt werden.
Bevorzugt wird ein sogenanntes Quotientenpyrometer eingesetzt, welches auf die Garne nahe dem Kontaktierungspunkt gerichtet ist und das soweit die Garen nicht den gesamten Messbereich des Pyrometers ausfüllen, auf eine besonders kalte oder anderweitig mit einer besonders geringen Emission oder Reflektion versehenen Oberfläche gerichtet wird. Bevorzugt ist dies eine Öffnung auf der gegenüberliegenden Wand, hinter der sich ein Raum mit kühlen oder gekühlten Wänden befindet. Unterstützend zu der Temperatursteuerung kann auch ein Ray-Tracing Prozess eingesetzt werden. Hierzu wir die Abstrahlcharakteristik der Strahlenquelle vermessen und anschließend kann über mathematische Berechnungen ausgerechnet werden, wie die Wärmestrahlung in dem verwendeten Strahlungsbereich aussehen wird. Bei dem Ray-Tracing Przess ist es bevorzugt, dass ausgehend von der oder den modellierten Strahlenuellen Strahlen verfolgt werden, die unter zufälligen Richtungen und von zufällig gewählten Positionen ausgehen. Für jeden dieser Strahlen wird sodann berechnet, wann und wo er auf andere Oberflächen trifft, wie er sich dort verhält, also ob dieser absobiert, gestreut oder reflektiert wird. Jeder Strahl wird so lange verfolgt, bis seine Energie zum Beispiel unter eine gewisse Schwelle sinkt oder er eine zuvor festgelegte Anzahl von Oberflächen erreicht hat. Zum Erreichen einer hohen Genauigkeit ist

– die Genauigkeit der Modelle der Strahlenquellen,
– die Genauigkeit der Beschreibung der optischen Oberflächen,
– die Detaillierung des Modells der zu berechnenden Apparatur,
– die gewählten Abbruchkriterien und
– die Zahl der verfolgten Strahlen

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Verbunds beschrieben, beinhaltend die Schritte:

i. Bereitstellen eines ersten Garns und mindestens eines weiteren Garns mit einer Temperatur T₁;
ii. Bestrahlen mindestens eines Teils des ersten Garns oder des mindestens einen weiteren Garns oder beider;
iii. Kontaktieren des ersten Garns und des mindestens einen weiteren Garns, wobei mindestens eines dieser Garne eine Kontakttemperatur T₂ oberhalb T₁ hat, wobei auf mindestens eines dieser Garne während des Kontaktierens eine Zugkraft wirkt.

Allgemein gelten die Ausführungen zu einzelnen Merkmalen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Bei dem Verfahren können die Garne die bereits für die Vorrichtung beschriebene Zusammensetzung aufweisen. Die Temperatur T₁ des ersten Garns und des mindestens einen weiteren Garns können gleich sein oder von einander abweichen. Vorzugsweise sind die Temperaturen T₁ des ersten Garns und des mindestens einen weiteren Garns annähernd gleich. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Garne in einem gleichen Halterungsbereich bevorratet werden können. Das Bereitstellen des einen ersten und mindestens einen weiteren Garns mit einer Temperatur T₁ wird vorzugsweise in einem Halterungsbereich mit Halterungen, wie für die Vorrichtung beschrieben vorgenommen. Wie bereits für die Vorrichtung erwähnt kann die Temperatur T₁ der umgebenden Raumtemperatur entsprechen, die meist zwischen 5 und 40°C liegt. Für T₁ sind die gleichen Bereiche anwendbar, wie für die Vorrichtung beschrieben. Das Garn, das an der Strahlungsquelle vorbei geführt und bestrahlt wird, wird dabei auf eine Temperatur T₂ oberhalb der Temperatur T₁ erwärmt. Diese Temperatur T₂ liegt ebenfalls in den Bereichen wie zuvor für die Vorrichtung beschrieben. Nach dem Bestrahlen des mindestens einen Garns, wird dieses auf die Temperatur T₂ erwärmte Garn mit dem ersten oder dem weiteren Garn in einem Kontaktbereich kontaktiert. Es können beide Garne eine Temperatur T₂ aufweisen oder nur eines der beiden Garne. Bei diesem Vorgang wirkt auf mindestens eines dieser Garne eine Zugkraft. Diese Zugkraft kann durch eine Garnzugeinrichtung vorgenommen werden, wie sie bereits für die Vorrichtung beschrieben wurde.
Auf die beschriebene Art und Weise kann beispielsweise ein röhrenförmiges Rundgeflecht entstehen, das zum Beispiel eine zylindrische Form aufweist. Je nach Anforderungsprofil kann der Querschnitt des Geflechts unterschiedlich geformt sein oder werden und unterschiedlich groß sein. Normalerweise haben die Rundgeflechte einen kreisförmigen Querschnitt. Für solche Anwendungen, bei denen der stabförmige Faserverbundwerkstoff zur Aufnahme von einer oder mehreren Leitungen für Strom oder Fluide ausgebildet ist, werden kreisförmige Querschnitte als vorteilhaft angesehen. Es sind jedoch auch beispielsweise elliptische, rhombische, dreieckige, viereckige oder komplexere Querschnitte denkbar und in einzelnen Anwendungsfällen zweckmäßig, beispielsweise bei der Herstellung von Bauteilen für den Karosseriebau. Da die Verbundmaterialien bzw. die Verbundvorläufer meist kontinuierlich beispielsweise in dem Pultrusionsverfahren produziert werden, können die entstandenen Verbund anschließend in einem Schneidprozess auf die benötige Größe zurecht geschnitten werden. Außerdem können die Verbunde vor oder nach dem Schneiden noch weiteren Veredelungsprozessen zugeführt werden, wie zum Beispiel dem Umspritzen mit Farben, Lacken oder weiteren Polymeren.
In einem bevorzugten Verfahren beinhaltet das erste Garn Carbon oder Glas oder beides. Wie bereits für die Vorrichtung beschrieben, kann das erste Garn oder Gewebe, aber auch das mindestens eine weitere Garn das bereitgestellt wird verschiedene Materialien aufweisen. Beispielsweise kann eines der Garne aus einem Verbund aus einem Kunststoff mit Carbon oder Glas bestehen. Es kann jedoch auch aus einem Carbon, beispielsweise einer Carbonfaser allein oder aus einem Glas, beispielsweise einer Glasfaser allein oder einem Gemisch aus beiden bestehen. Es sind sämtliche denkbaren Mischungen vorstellbar, wie zum Beispiel die für die Vorrichtung beschriebenen.
Weiterhin bevorzugt erfolgt das Bestrahlen durch Infrarotstrahlen erfolgt. Wie bereits für die Vorrichtung beschrieben, kann die Bestrahlung in einem breiten Wellenlängenbereich erfolgen. Wird sie mit Hilfe eines Infrarotstrahlers vorgenommen so liegt die Wellenlänge bevorzugt in einem Bereich von 780 bis 10.000 nm.
Außerdem bevorzugt erfolgt die Bestrahlung mit einer Leistung in einem Bereich von 1 bis 100 W/cm. Die Leistung bezieht sich dabei auf die Länge des Strahlers. Der Strahler kann dabei eine Temperatur in einem Bereich von 600 bis 3.000°C, bevorzugt 1.000°C bis 2.400°C und besonders bevorzugt von 1.250°C bis 1.800°C erreichen.
Weiterhin bevorzugt erfolgt das Kontaktieren in Gegenwart eines Polymers. Dieses Polymer kann eines aus der Gruppe wie für das Garn bei der Vorrichtung beschrieben sein oder ein davon verschiedenes Material. Bevorzugt handelt es sich um ein thermoplastisches Material.
Außerdem bevorzugt wird nach dem Kontaktieren ein Verbundvorläufer erhalten, wobei der Verbundvorläufer auf eine Temperatur T₃ oberhalb der Temperatur T₂ gebracht wird. Wie bereits für die Vorrichtung beschrieben, kann der zuvor beschrieben durch das Verfahren erhaltene Verbundvorläufer in weiteren Schritten bearbeitet werden. Eine Möglichkeit der Weiterbehandlung ist in einem Pultrusionsverfahren, bei dem der entstandene Verbundvorläufer auf eine Temperatur T₃ erhitzt wird, die höher liegt als die Temperatur T₂, bei der die mindestens zwei Garne kontaktiert wurden. Diese Temperatur T₃ sollte höher als der Erweichungspunkt einer der Komponenten des Verbundvorläufers sein. Die Temperaturen T₃ können oft in einem Bereich von 180 bis 380°C, vorzugsweise in einem Bereich von 200 bis 300°C und besonders bevorzugt in einem Bereich von 210 bis 270°C liegen. Allgemein gilt bei der Auswahl der Temperaturen, dass diese oberhalb der Erweichungstemperatur der Kunststoffe, jedoch noch unterhalb der Temperatur, bei der während der Dauer der Konsolidierung schon eine Zersetzung der Kunststoffe zu beobachten wäre, liegen. Diese Behandlung des Verbundvorläufers mit erhöhter Temperatur dient dazu die Bestandteile oder Komponenten des Verbundvorläufers mit einander zu verschmelzen bzw. zu verbacken oder zu versintern, sodass nach dem Aushärten ein konsolidierter Verbund, also ein Verbund mit gewünschter Dichte vorliegt. In einem weiteren Aspekt wird die zuvor beschriebene Vorrichtung in dem zuvor beschriebenen Verfahren eingesetzt.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verbund vorgeschlagen, erhältlich nach dem zuvor beschriebenen Verfahren. Dieser Verbund kann für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. So werden solche Verbunde aufgrund ihrer hohen Reiß- bzw. Zugfestigkeit oft als Ersatz für schwere Metallteile im Karosseriebau oder Flugzeugbau eingesetzt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Erzeugnis vorgeschlagen beinhaltend einen Verbund wie zuvor beschrieben und ein von dem Verbund verschiedenes weiteres Bauteil. Derartige Erzeugnisse können beispielsweise die in DE-A-10 2009 034 767 oder EP-A-1 988 118 beschriebenen dreidimensionalen Strukturen sein. Derartige Erzeugnisse können auch Vehikel sein, die sich zu Land, Wasser oder Luft, insbesondere angetrieben, bewegen. Derartige Vehikel können beispielsweise Flugzeuge, Schiffe, Fahrräder oder Fahrzeuge sein. Derartige Erzeugnisse können auch Gebäude oder Gebäudeteile, wie Dächer, Fassaden, Fenster oder Leitungssysteme sein.
Zudem gelten die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Strahler ebenso entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stoffprüfung sowie für das erfindungsgemäße Verfahren zur Stoffprüfung. Dies gilt insbesondere für Materialien und räumliche Ausgestaltungen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche beziehungsweise hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen:
1: Schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
2: Schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Ausschnitt aus 1
3 Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erwärmen eines Garns
In 1 ist ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 dargestellt. Es ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung 10 dargestellt. Diese Vorrichtung 10 weist ein Gehäuse 15 mit einer Öffnung 70 auf. In dem Gehäuse 15 befindet sich mindestens eine Strahlungsquelle 20, hier in Form mehrerer ringförmiger Strahler 20. Die ringförmigen Strahler 20 bilden einen Ring 25. Dieser Ring 25 umgibt eine Garnlinie 38. Diese Garnlinie 38 kann entweder nur aus dem Garn 35 oder aus beiden Garnen 35 und 45 gebildet sein. Die ringförmigen Strahler 20 umgeben in kegelförmiger Anordnung ein Rohr 120, das durch die Öffnungen 70 und 70' des Gehäuses 15 geführt ist. Die ringförmigen Strahler 20 sind auf ihrer inneren Seite, die dem Rohr 120 zugewandt ist, von einem inneren Reflektor 90 und auf ihrer äußeren Seite, die dem Rohr 120 abgewandt ist, von einem äußeren Reflektor 80 umgeben. Die ringförmigen Strahler 20 zusammen mit den Reflektoren 80 und 90 stellen den Strahlungsbereich 50 dar. Während des Gebrauchs der Vorrichtung 20 wird in diesen Strahlungsbereich 50 mindestens ein erstes Garn 35 oder auch ein weiteres Garn 45 eingeführt, das sich jeweils auf einer Halterung 30 und 30' befindet. Die beiden Halterungen 30 und 30' bilden den Halterungsbereich 40, der sich außerhalb des Strahlungsbereichs 50 befindet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Strahlungsbereichs 50 befindet sich ein Kontaktbereich 60. Hier wird das erste Garn 35 und das weitere Garn 45 zusammengeführt, nachdem es von dem Strahler 20 erwärmt wurde. Der Kontaktbereich 60 befindet sich in diesem Fall auf der Oberfläche des Rohres 120, weshalb das Rohr 120 auch als inneres Profil 120 bezeichnet wird, das es dem entstehenden Verbundvorläufer 130 sein Profil gibt. Wie bereits erwähnt, kann das Rohr 120 auch eine ovale oder eckige Oberfläche aufweisen. Das Rohr 120 oder der Verbundvorläufer 130 oder beides bewegen sich in Zugrichtung 150 von der Vorrichtung 10 weg. Die Zugeinrichtung ist hier nicht gezeigt. Durch diesen Zug wird das Garn 35 und 45 automatisch von den Halterungen 30, 30' abgewickelt und dem Strahlungsbereich 50 zugeführt. Weiterhin sind die Halterungen 30, 30' kreisend um die Achse des rohrförmigen länglichen Formkörpers 120 angeordnet.
Der Kontaktbereich 60 kann dabei auch Bestandteil des Strahlungsbereiches 50 sein, wie es hier dargestellt ist, muss es aber nicht. Um ein überhitzen der Strahler 20 und des Strahlungsbereiches 50 sowie der Reflektoren 80 und 90 zu vermeiden, sind Ventilatoren 100 an mehreren Stellen der Vorrichtung 10 angeordnet. Diese Ventilatoren 100 dienen zur Kühlung vor allem der Reflektoren 80 und 90 und saugen kühle Luft aus der Umgebung an, um sie in Bewegungsrichtung 110 in und durch die Vorrichtung 10 zu bewegen.
Die Wendeltemperatur der ringförmigen Strahler 20 liegt bei der Anwendung in einem Bereich von 1200 bis 1500°C. Die Leistung in den einzelnen Strahlern 20 liegt in einem Bereich von 5 bis 20 W/cm bezogen auf die Strahlerlänge.
In 2 ist ein Ausschnitt aus 1 gezeigt, der nur einen Teil des Strahlungsbereichs 50 und den Kontaktbereich 60 zeigt in dem sich die Garne 35 und 45 treffen. Um eine gute Regelung der Strahlung vornehmen zu können, sodass die Garne 35 und 45 nicht zu stark erhitzt werden, wird in diesem Fall ein Pyrometer 140 verwendet. Dies kann an verschiedenen Stellen in der Vorrichtung 10 eingebaut sein. Vorteilhafterweise ist es in einem Bereich der Vorrichtung 10 angeordnet, wo das Garn 35 oder 45 aus dem Strahlungsbereich 50 in den Kontaktbereich 60 übergeht. Die Daten die das Pyrometer 140 aufnimmt, können entweder schnurlos an ein Steuergerät übertragen werden, oder wie hier gezeigt über ein Datenkabel 160. Das Steuergerät kann diese Daten dazu benutzen die Leistung der Strahler 20 zu regulieren.
3 zeigt schematisch den Vorgang des Erwärmens eines Garns 35 oder 45, das auf einer Halterung 30 bereitgestellt wird. Das Garn 35 wird so mit dem Kontaktbereich 60 verbunden, dass es auf dem Weg dort hin durch eine Strahlungsquelle 20 bestrahlt wird. Das Garn 35 weist nach Erwärmung durch die Strahlungsquelle 20 eine Temperatur T₂ auf, die höher liegt als die Temperatur T₁ des Garns 35 auf der Halterung 30. Der Pfeil 200 gibt die Beleuchtungsrichtung an mit der die elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle 20 auf das Garn 35 gerichtet wird.
Beispiel:
Ausgehend von Unidirektionalen Tapes, die aus Hexcel APC2 Carbon-Fasern (erhältlich bei der Firma Hexcel Inc. Santa Clara CA USA) und einer PEEK Matrix (erhältlich bei der Firma VicTrex plc. GB) bestehen, wobei das Faservolumenanteil in dem konsolidierten Tape 45% beträgt und das Flächengewicht 300 g/m², werden mehrlagige pultrudierte Profile erzeugt. Die unidirektionalen Tapes werden bei Firma Suprem SA (CH) nach einem patentierten Verfahren aus den vorstehend genannten Materialein hergestellt und nach dem Konsolidieren zu 6 mm breiten Bändern geschnitten und aufgewickelt. Die so erhaltenen unidirektionalen Tapes auf den einzelnen Tape-Rollen weisen dabei eine Länge, die der der ursprünglichen Rovings der Hexel APC2 Faser entspricht, auf, zumindest jedoch 1000 m.
Es werden sodann in einer ersten Station 38 Tape-Rollen auf einem als Flechtrad ausgestalteten Halterungsbereich montiert, von denen 19 im Uhrzeigersinn und 19 gegen den Uhrzeigersinn zu einem ersten Schlauch in Leinwandbindung in einem Kontaktbereich der ersten Station verflochten werden. Zwischen dem Halterungsbereich und dem Kontakbereich werden die Tapes durch durchlaufen von Infrarotstrahlenquellen auf eine Temperatur von 350°C erwärmt.
Dieser erste Schlauch wird in drei weiteren ebenfalls jeweils mit 38 Tape-Rollen versehenen Stationen unter den gleichen Bedingungen drei weitere Male mit einer Schicht in Leinwandbindung umhüllt. Nach der vierten Station wird der so erhaltene vierlagige Vorverbund bei einer Temperatur von 375°C zu einem Verbund mit einem Durchmesser von 60 mm und einem kreisförmigen Querschnitt konsolidiert. Dieser Verbund weist eine nahezu glatte Oberfläche und eine hohe Gleichmäßigkeit in der Faserverteilung auf.
Vergleichsbeispiel:
Das Beispiel wird durchgeführt, ohne dass die Tapes eine erfindungsgemäße Infrarotstrahlenquelle durchlaufen. Hierdurch wurde ein Verbund mit einer durch Blasenbildung aufgerauten Oberfläche und deutlich verschlechterter Homogenität bei einer um 60% verringerten Druchsatzgeschwindigkeit erhalten.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
15: Gehäuse
20: Strahlungsquelle, ringförmiger Strahler
25: Ring
30, 30': Halterung
35: Erstes Garn
38: Garnlinie
40: Halterungsbereich
45: Weiteres Garn
50: Strahlungsbereich
60: Kontaktbereich
70, 70': Öffnung
80: Äußerer Reflektor
90: Inneren Reflektor
100: Ventilator
110: Bewegungsrichtung der Luft
120: Rohr, inneres Profil, Formkörper
130: Verbundvorläufer
140: Pyrometer
150: Zugrichtung
160: Datenkabel
170: Garnzugeinrichtung

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

US 4800113 [0002]
EP 0717133 A [0003]
US 5688594 [0003]
DE 102007037316 A [0004]
EP 1988118 A [0005, 0047]
EP 0884153 A [0006]
DE 102009034767 A [0007, 0047]
DE 102005027879 A [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm EN 13706-1:2002 [0033]

Claims

Eine Vorrichtung (10), beinhaltend: einen Halterungsbereich (40) beinhaltend eine erste Halterung (30, 30') für ein erstes Garn (35) und mindestens eine weitere Halterung (30, 30') für mindestens ein weiteres Garn (45), mindestens einen Kontaktbereich (60) zum Kontaktieren des ersten Garns (35) und des mindestens einen weiteren Garns (45), wobei mindestens eine Strahlungsquelle (20), zwischen dem Halterungsbereich (40) und dem Kontaktbereich (60) vorgesehen ist.
Die Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der mindestens einen Strahlungsquelle (20) ein Infrarotstrahler ist.
Die Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der mindesten einen Strahlungsquelle (20) eine Leistung in einem Bereich von 1 bis 100 W/cm hat.
Die Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der mindestens einen Strahlungsquelle (20) ringförmig ausgebildet ist.
Die Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei eine durch das erste Garn (35) zwischen dem Halterungsbereich (40) und dem Kontaktbereich (60) sich erstreckende Garnlinie (38) innerhalb eines durch die ringförmig ausgebildete Strahlungsquelle (20) gebildeten Rings (25) liegt.
Die Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halterungsbereich (40) relativ zum Kontaktbereich (60) beweglich ist.
Die Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Reflektor (80, 90), zwischen dem Halterungsbereich (40) und dem Kontaktbereich (60) vorgesehen ist.
Die Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktbereich (60) eine Garnzugeinrichtung (170) aufweist oder eine Garnzugeinrichtung (170) auf den Kontaktbereich folgt oder beides.
Die Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktbereich (60) einen Formkörper (120) aufweist.
Die Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens das erste Garn (35) oder das weitere Garn (45) zwischen Halterungsbereich (40) und Kontaktierungsbereich (60) so zu der mindestens einen Strahlungsquelle (20) angeordnet ist, dass der bestrahlte Teil des ersten Garns (35) oder des weiteren Garns (45) von einer ersten Temperatur T₁ auf eine zweite Temperatur T₂, erwärmbar ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Verbunds (130), beinhaltend die Schritte: iv. Bereitstellen eines ersten Garns (35) und mindestens eines weiteren Garns (45) jeweils mit einer Temperatur T₁; v. Bestrahlen mindestens eines Teils des ersten Garns (35) oder des mindestens einen weiteren Garns (45) oder beider; vi. Kontaktieren des ersten Garns (35) und des mindestens einen weiteren Garns (45), wobei mindestens eines dieser Garne (35, 45) eine Kontakttemperatur T₂ oberhalb T₁ hat, wobei auf mindestens eines dieser Garne (35, 45) während des Kontaktierens eine Zugkraft wirkt.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei mindestens das erste Garn (35) Carbon oder Glas oder beides beinhaltet.
Das Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Bestrahlen durch Infrarotstrahlen erfolgt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Bestrahlung mit einer Leistung in einem Bereich von 1 bis 100 W/cm erfolgt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Kontaktieren in Gegenwart eines Polymers erfolgt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei nach dem Kontaktieren ein Verbundvorläufer (130) erhalten wird, wobei der Verbundvorläufer (130) auf eine Temperatur T₃ oberhalb der Temperatur T₂ gebracht wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingesetzt wird.
Ein Verbund (130) erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17.
Ein Erzeugnis beinhaltend einen Verbund (130) nach Anspruch 18 und ein von dem Verbund (130) verschiedenes weiteres Bauteil.