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Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Tränken eines endlosen Faserwerkstoffs mit einem schmelzflüssigen thermoplastischen Kunststoff, wobei in einem Zwickel zwischen zwei konvergierenden Oberflächen ein Bad des Kunststoffs gebildet und der Faserwerkstoff durch den Zwickel hindurch gezogen und hierbei mit dem Kunststoff getränkt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Strangziehverfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffprofils.
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Im Bereich der Endlosfaser-Thermoplast-Imprägnierung (EFT-Imprägnierung) sind seit den 1950er Jahren Strangziehverfahren (auch: „Pultrusion“, ein Kunstwort aus den Begriffen „to pull“ und „extrusion“) bekannt. Die vollständige Benetzung der einzelnen Fasern – ein Faserbündel besteht aus bis zu mehreren zehntausend Fasern – mit dem schmelzflüssigen Kunststoff ist für die Zugkraftübertragung auf das Bauteil entscheidend: Ist eine Faser teilweise nicht mit der Schmelze benetzt, so kann sie dort keine Zugbelastung auf die Kunststoffmatrix übertragen. Bei Überschreiten einer Grenzlast wird diese Faser aus der Matrix herausgezogen und separiert.
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US 7,413,623 schlägt vor, in einem Verfahren der eingangs genannten Art ein Faserbündel durch ein Schmelzebad im oberen Zwickel zwischen zwei Walzen zu ziehen. Die Walzen weisen eine Elastomer-Oberfläche auf und laufen aufeinander. So soll nicht nur überflüssige Schmelze und Gasblasen aus dem Faserwerkstoff gepresst und ein im Wesentlichen „tropffreier“ Betrieb, sondern auch die vollständige Benetzung der Fasern erreicht werden. Beim Ziehen steht allerdings das Faserbündel in dem Schmelzebad unter Zug, was das erwünschte „Öffnen“ des Strangs und damit die vollständige Benetzung behindert.
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Allgemein bekannt ist darüber hinaus, in einem Strangziehverfahren ein Faserbündel von Endlosfasern im Schmelzebad über Stifte in der Schmelze mehrfach umzulenken. Durch das Umlenken soll wiederum das Faserbündel „geöffnet“ werden, um die Oberfläche jeder Faser mit Schmelze zu benetzten.
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Die eingangs genannten Verfahren dienen zur Verstärkung von Bauteilen insbesondere aus thermoplastischen Kunststoffen. Hierzu werden Glas- oder Kohlefasern, Naturfasern oder synthetische Fasern in den Kunststoff eingearbeitet. Durch Einarbeiten eines endlosen Faserwerkstoffs ist die Orientierung der Fasern im Zwischenprodukt bekannt. Die Fasern können so im Endprodukt bewusst in Lastrichtung orientiert werden, und können sehr hohe Zugfestigkeiten in dieser Lastrichtung umsetzen.
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Im Hintergrund der Erfindung ist alternativ die Verstärkung mit Kurzfasern bekannt. Im Vergleich mit EFT-Werkstoffen erreichen kurzfaserverstärkte Werkstoffe durch die Unterbrechung der einzelnen Fasern, andererseits durch die weniger geordnete Orientierung der Fasern in der bevorzugten Lastrichtung deutlich geringere mechanische Festigkeitswerte.
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Weiterhin ist im Hintergrund der Erfindung auch die Imprägnierung von Faserwerkstoffen mit Duroplasten bekannt. Die hier für die Imprägnierung verwendeten Mischungen von Komponenten oder Thermosets sind im Vergleich zu schmelzflüssigen thermoplastischen Kunststoffen wesentlich dünnflüssiger und benetzen leichter die Oberflächen der einzelnen Fasern in den Zwischenräumen eines Faserbündels.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Tränken des Faserwerkstoffs in dem Zwickel zu verbessern.
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Lösung
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Ausgehend von den bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass ein minimaler Abstand der Oberflächen an einer Austrittsstelle des Faserwerkstoffs aus dem Zwickel eine Dicke des Faserwerkstoffs um mindestens 50 vH übersteigt. Der mit dem Faserwerkstoff abgezogene Kunststoff wird in dem Zwickel mit bis zu der Austrittsstelle zunehmendem Druck in den Faserwerkstoff gepresst, ohne den Faserwerkstoff selbst zu quetschen. Das Tränken des Faserwerkstoffs wird so verbessert.
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Vorzugsweise ist in einem erfindungsgemäßen Verfahren der Zwickel zwischen zwei parallel angeordneten Walzen ausgebildet, die mit gleicher Umfangsgeschwindigkeit gegensinnig rotieren. Durch Variation der Umfangsgeschwindigkeit kann bei gleicher Abzugsgeschwindigkeit des Faserwerkstoffs besonders einfach das Verhältnis zur Geschwindigkeit der Oberflächen verändert werden. Beispielsweise bei mehrschichtigen Faserwerkstoffen können alternativ mit unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten gezielt nicht-symmetrische Strömungsprofile im Spalt erzeugt werden. Alternativ kann der Zwickel in einem einfacheren erfindungsgemäßen Verfahren zwischen trichterförmig angeordneten Platten oder Freiformflächen oder zwischen nicht rotierenden Walzen ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens verläuft eine durch Rotationsachsen der Walzen definierte Ebene waagrecht. Das Bad wird dann durch die Schwerkraft in den Zwickel gehalten. Alternativ kann die Ebene auch geneigt sein oder sogar senkrecht verlaufen.
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Bevorzugt ist in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren eine Umfangsgeschwindigkeit der Oberflächen der Walzen in dem Zwickel im wesentlichen in einer Abzugsrichtung des Faserwerkstoffs gerichtet und übersteigt eine Abzugsgeschwindigkeit des Faserwerkstoffs durch den Zwickel mit einem Faktor 1 bis 100. Im konkreten Anwendungsfall ist dieser Faktor insbesondere abhängig von der Viskosität des Kunststoffs, von der Zugfestigkeit des Faserwerkstoffs und von der Geometrie des Zwickels zu wählen. Für die Imprägnierung von Glasfaserrovings mit PP ist sinnvoll beispielsweise ein Faktor zwischen 20 und 40 zu wählen. In einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren strömt die Schmelze an dem Faden mit einem Geschwindigkeitsüberschuss entlang. Der Faden wird einer sehr starken Scherströmung durch den Matrixwerkstoff ausgesetzt und richtet sich entsprechend der niedrigstmöglichen Entropie/Enthalpie derart aus, dass die Scherströmung von beiden Seiten (etwa) gleich ist. In diesem Walzenspalt wird durch die Umfangsgeschwindigkeit der Walzen und dem geeignet eingestellten Walzenspalt eine sehr hohe Scherströmung erzeugt, der die Masse durch den Walzenspalt zwingt. Mittels dieser starken Scherströmung und der aufgezwungenen Scherung entlang des Faserwerkstoffs in dessen Zugrichtung wird der Faserwerkstoff einerseits mit dem Kunststoff imprägniert, und andererseits durch die Schmelze selbst aus der Vorrichtung orientiert und imprägniert kontrolliert ausgetragen. Der Faserwerkstoff kann dann z.B. mittels eines Roboters in Richtung des Lasteintrags in eine offene Form eingebracht werden und einfach und kontrolliert appliziert werden.
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Alternativ können die Oberflächen der Walzen in einem erfindungsgemäßen Verfahren auch mit der Abzugsgeschwindigkeit des Faserwerkstoffs bewegt werden. Gegenüber nicht bewegten Oberflächen wird die Imprägnierwirkung durch den höheren Druck zwischen den Walzen verbessert, ohne den Faden im Spalt hohen Scherströmungen auszusetzen.
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Weiter bevorzugt führt in einem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung rotierender Walzen mindestens eine der Oberflächen als Speiseroberfläche den Kunststoff in das Bad mit. So wird die Benetzung der Oberfläche verbessert. Alternativ kann der Kunststoff beispielsweise seitlich – also quer zur Abzugsrichtung – im Zwickel zugeführt werden.
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In einer vorteilhaften Variante eines solchen erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Faserwerkstoff oberhalb des Bades auf die Speiseroberfläche geführt. Der Faserwerkstoff trifft dann auf den einlaufenden Kunststofffilm und wird auf der mit dem Kunststoff benetzten Oberfläche in den Zwickel eingezogen. Der Faserwerkstoff wird so vorimprägniert und eingeschlossene Luft kann bereits vor dem Einlaufen in den Zwickel ausgasen. Alternativ kann der Faserwerkstoff senkrecht zu einem Spiegel des Kunststoffs in den Zwickel geführt werden.
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Vorzugsweise wird der Kunststoff auf die Speiseroberfläche geführt. Beispielsweise kann der Kunststoff aus einer Spritzdüse auf die Oberfläche gespritzt oder aus einem Vorratsbehälter auf die Oberfläche gegossen werden. Alternativ kann die Speiseroberfläche unterhalb des Zwickels in einem Bad des Kunststoffs geführt werden.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Faserwerkstoff insbesondere ein Faserbündel sein. Weitere Faserwerkstoffe, die in erfindungsgemäßen Verfahren getränkt werden können, sind Textilien – also flächige Gebilde wie Gewebe und Geflechte, Gewirke und Gestricke, Filze und Vliese, aber auch Fäden und Seile.
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Ausgehend von den bekannten Strangziehverfahren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Faserwerkstoff in einem erfindungsgemäßen Verfahren mit dem Kunststoff getränkt wird
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
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1 eine erste Vorrichtung für ein erfindungsgemäßes Verfahren,
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2 eine zweite Vorrichtung für ein anderes erfindungsgemäßes Verfahren und
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3 eine dritte Vorrichtung für ein weiteres erfindungsgemäße Verfahren.
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Die in 1 gezeigte erste Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus zwei identischen Walzen 2, 3, die um parallele, in einem einstellbaren Abstand 4 von 200,5 mm horizontal verlaufende Rotationsachsen 5 mit einer Drehzahl von 30/s gegensinnig rotieren.
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Die Walzen 2, 3 bestehen aus gezogenen Stahlrohren mit einer Wandstärke von 10 mm, die innen mit mäanderförmig angeordneten Rohren für ein Wärmeträgeröl versehen sind, um im Betrieb deren Oberflächen 6, 7 nach Bedarf zu beheizen oder zu kühlen und auf einer Betriebstemperatur von konstant etwa 220 °C zu halten. Die Oberflächen 6, 7 der Walzen 2, 3 sind mit Silikon beschichtet. Die Walzen 2, 3 weisen einen Durchmesser 8 von 200 mm und eine Länge von 200 mm auf. Die Struktur und das Innenleben der Walzen 2, 3 sowie ihre Länge sind in der Figur nicht dargestellt.
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Auf die in der Figur rechts dargestellte rotierende Walze 2 wird aus einem Extruder 9 ein konstanter Strom von etwa 5 g/s schmelzflüssigen Kunststoffs (hier: PP) geführt. Als „Speiseroberfläche“ führt deren Oberfläche 7 den Kunststoff in den zwischen den beiden Walzen 2, 3 gebildeten oberen Zwickel 10, in dem sich im Betrieb der Vorrichtung 1 ein Bad 11 aus dem Kunststoff ausbildet.
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Ein endloser Faserwerkstoff 12 (hier: ein Glasfaserroving) zum Imprägnieren mit dem Kunststoff wird mit einem Vorschub von 0,6 m/s von einer nicht dargestellten Vorratsrolle über Zuführeinrichtung 13 mit einer ungebremsten Führungsrolle 14 senkrecht von oben wird in das Bad 11 geführt, dort von dem zwischen den Walzen 2, 3 durch den Zwickel 10 strömenden Kunststoff erfasst und in den Spalt gezogen. Die Umfangsgeschwindigkeit der Oberflächen 6, 7 in dem Zwickel 10 übersteigt damit die Abzugsgeschwindigkeit des Faserwerkstoffs 12 durch den Zwickel 10 mit einen Faktor von etwa 30.
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Zwischen der Führungsrolle 14 und dem Eintritt in den Spiegel 15 des Bads 11 wird der Faserwerkstoff 12 in der Zuführeinrichtung 13 durch eine Faserbremse 16 geführt. Die Faserbremse 16 besteht aus zwei aufeinander abrollenden Silikonwalzen, die mittels einer regelbaren Wirbelstrombremse auf die eingestellte Vorschubgeschwindigkeit des Faserwerkstoffs 12 gebremst werden. Die Einzelheiten der Faserbremse 16 sind in der Figur nicht dargestellt.
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Die Oberflächen 6, 7 der rotierenden Walzen 2, 3 pumpen kontinuierlich einen Teil des Kunststoffs durch den Spalt 17 zwischen den Walzen 2, 3 in eine an dem unteren Zwickel 18 angeordnete Düse 19.
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Die Düse 19 weist zu beiden Walzen 2, 3 jeweils einen Abstreifer 20 aus Silikon auf. Die Abstreifer 20 dichten den unteren Zwickel 18 und den Innenraum 21 der Düse 19 gegenüber der Umgebung derart dicht ab, dass der Kunststoff mit einem Druck von etwa 3 bar unten aus dem Auslasskanal 22 der Düse 19 gepresst wird.
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Die erste Vorrichtung
1 ist in ein nicht dargestelltes Gehäuse eingebaut, das gleichfalls auf die Betriebstemperatur der Oberflächen
6,
7 der Walzen
2,
3 temperiert wird. Der in der Vorrichtung
1 getränkte Faserwerkstoff
12 wird anschließend in eine Vorrichtung gemäß
US 7,413,623 geführt, in der überschüssiger Kunststoff und Gasblasen aus dem Faserwerkstoff
12 gepresst werden.
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Die in 2 dargestellte zweite Vorrichtung 23 unterscheidet sich von der ersten Vorrichtung 1 nur dadurch, dass gegenüber dieser die Zuführeinrichtung 24 für den Faserwerkstoff 25 um etwa 55 Winkelgrad verschwenkt ist, so dass der Faserwerkstoff 25 auf die Oberfläche 26 der rechts dargestellten, mit dem Kunststoff benetzte Walze 27 (die „Speiseroberfläche“) auftrifft und mit diesem in das Bad 28 eingezogen wird. Hierdurch erfolgt eine Vorimpägnierung zumindest einer Seite des Faserwerkstoffs 25, vor allem aber wird eingeschlossene Luft vor dem Einlaufen in den Zwickel 29 zwischen den Walzen 27, 30 entgast bzw. entlüftet.
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Die in 3 dargestellte dritte Vorrichtung 31 unterscheidet sich von der zweiten Vorrichtung 23 nur dadurch, dass die Oberflächen 32 auf zwei gegensinnig rotierenden Bändern 33 aus Silikon ausgebildet sind, die von je zwei Walzen 34 gespannt und angetrieben werden. Zwischen den Walzen 34 sind die Bänder 33 mittels je einer Platte 35 unterstützt, um den Druck im Spalt 36 aufrecht zu erhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Walze
- 3
- Walze
- 4
- Abstand
- 5
- Rotationsachse
- 6
- Oberfläche
- 7
- Oberfläche („Speiseroberfläche“)
- 8
- Durchmesser
- 9
- Extruder
- 10
- oberer Zwickel
- 11
- Bad
- 12
- Faserwerkstoff
- 13
- Zuführeinrichtung
- 14
- Führungsrolle
- 15
- Spiegel
- 16
- Faserbremse
- 17
- Spalt
- 18
- unterer Zwickel
- 19
- Düse
- 20
- Abstreifer
- 21
- Innenraum
- 22
- Auslasskanal
- 23
- Vorrichtung
- 24
- Zuführeinrichtung
- 25
- Faserwerkstoff
- 26
- Oberfläche („Speiseroberfläche“)
- 27
- Walze
- 28
- Bad
- 29
- Zwickel
- 30
- Walze
- 31
- Vorrichtung
- 32
- Oberfläche
- 33
- Band
- 34
- Walze
- 35
- Platte
- 36
- Spalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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