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HINWEIS ZU FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG MIT BUNDESFÖRDERUNG
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Die vorliegende Erfindung ist mit staatlicher Unterstützung gemäß Energieministeriums-Kooperationsvereinbarung Nr. DE-FC26-020822910 erfolgt. Die Regierung besitzt bestimmte Rechte an der Erfindung.
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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faserkabelbehandlungsvorrichtung und ein Faserkabelbehandlungssystem und insbesondere eine Faserkabelbehandlungsvorrichtung und ein Faserkabelbehandlungssystem zum Herstellen von faserverstärkten Polymerverbundstoffen.
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2. Stand der Technik
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Faserverstärkte Polymerverbundstoffe werden zur Schaffung technischer Leichtbaustrukturen verwendet. Die Verwendung existierender faserverstärkter Polymerverbundstoffe kann durch untragbare Kosten, die mit der Herstellung von geeigneten Fasern zum Bilden der Verbundstoffe verbunden sind, eingeschränkt sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einer Ausführungsform weist ein Faserkabelbehandlungssystem eine rotierbare Noppenwalze auf, die eine Rotationsachse, eine Basis mit einer Oberfläche und eine Anzahl beabstandeter Noppen, die von der Oberfläche abstehen, aufweist, wobei die beabstandeten Noppen beabstandete Öffnungen in ein Faserkabel einbringen. In bestimmten Fällen sind wenigstens ein Teil der Öffnungen voneinander beabstandete, diskrete Öffnungen. In bestimmten anderen Fällen können die beabstandeten Noppen relativ zu der Basis der rotierbaren Noppenwalze als ein leicht abnehmbares Stück angeordnet sein. In wiederum bestimmten anderen Fällen bestehen die beabstandeten Noppen und die Oberfläche der Basis aus verschiedenen metallischen oder nichtmetallischen Materialien. In wiederum anderen Fällen weisen die beabstandeten Noppen ein Polymermaterial auf. In wiederum anderen Fällen sind die beabstandeten Noppen mit der Basis integral. In bestimmten anderen Fällen sind die beabstandeten Noppen ungleichmäßig entlang der Rotationsachse positioniert.
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In einer anderen Ausführungsform weist das Faserbehandlungssystem weiterhin eine der rotierbaren Noppenwalze vorgelagerte Verteilerwalze zum Abflachen des Faserkabels auf. Die Verteilerwalze ist optional rotierbar.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform weist das Faserbehandlungssystem weiterhin eine der rotierbaren Noppenwalze vorgelagerte zweite und/oder dritte Verteilerwalze auf; die zweite und/oder dritte Verteilerwalze ist optional rotierbar.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform weist das Faserbehandlungssystem weiterhin eine der Verteilerwalze nachgelagerte zweite rotierbare Noppenwalze auf.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform weist das Faserbehandlungssystem weiterhin eine der rotierbaren Noppenwalze nachgelagerte Schneidestation zum Schneiden der gelockerten Faserkabel auf, um geschnittene Fasern mit reduzierten Kabelgrößen herzustellen.
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KURE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A1 stellt eine Querschnittsansicht eines Faserbehandlungssystems gemäß einer Ausführungsform dar;
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1A2 stellt eine perspektivische Ansicht eines nicht-einschränkenden Beispiels einer rotierbaren Noppenwalze dar, die in dem Faserbehandlungssystem aus 1A1 eingesetzt wird;
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1B stellt eine Querschnittsansicht eines Faserbehandlungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform dar;
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1C stellt eine Querschnittsansicht eines Faserbehandlungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform dar;
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2A stellt eine expandierte Draufsicht auf eine Noppenwalze in einem Faserbehandlungssystem gemäß wiederum einer weiteren Ausführungsform dar;
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2B stellt eine expandierte Draufsicht auf eine Noppenwalze in einem Faserbehandlungssystem gemäß wiederum einer weiteren Ausführungsform dar;
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3A bis 3D stellen variable Formen und Anordnungen der beabstandeten Noppen gemäß wiederum einer weiteren Ausführungsform dar;
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4 stellt Zugfestigkeitswerte als Funktion von Faserkabelgrößen gemäß einem hier beschriebenen Beispiel dar;
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5A stellt ein Faserbehandlungssystem gemäß einem weiteren hier beschriebenen Beispiel dar;
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5B stellt ein Faserbehandlungssystem gemäß wiederum einem weiteren hier beschriebenen Beispiel dar;
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6A1 und 6A2 stellen Analysewerte in Bezug auf das Faserbehandlungssystem aus 5A dar;
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6B1 und 6B2 stellen Analysewerte in Bezug auf das Faserbehandlungssystem aus 5B dar;
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7A und 7B stellen unterschiedliche Analysewerte gemäß wiederum einem weiteren hier beschriebenen Beispiel dar; und
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8A und 8B stellen nicht-einschränkende Beispiele für das Faserbehandlungssystem gemäß wiederum einer weiteren Ausführungsform dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; jedoch sei darauf hingewiesen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele für die Erfindung sind, die in unterschiedlichen und alternativen Formen ausgeführt sein kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert dargestellt sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionale Details hier nicht als einschränkend, sondern lediglich als eine repräsentative Basis zu interpretieren, um den Fachmann in verschiedenen Einsatzmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung zu unterweisen.
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Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Materialmengen oder Bedingungen für eine Reaktion und/oder Verwendung angeben, so zu verstehen, dass sie in einer Beschreibung des breitesten Umfangs der vorliegenden Erfindung durch das Wort ”ungefähr” modifiziert sind.
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Die Beschreibung einer Materialgruppe oder -klasse als für einen gegebenen Zweck geeignet im Zusammenhang mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung impliziert, dass Mischungen aus zwei oder mehreren Elementen der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Eine Beschreibung von Bestandteilen in chemischer Hinsicht bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt des Hinzufügens zu einer in der Beschreibung spezifizierten Kombination und schließt chemische Wechselwirkungen zwischen Bestandteilen der Mischung nach denn Mischen nicht unbedingt aus. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt hier für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt mutatis mutandis für normale grammatikalische Varianten der anfänglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, erfolgt die Messung einer Eigenschaft durch dieselbe Technik, die zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben ist.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Faserbehandlungssystem bereitgestellt, um die Herstellung kostengünstiger Faserkabel mit Kabelgrößen zu bewerkstelligen, die zum Bilden von faserverstärkten Polymerverbundstoffen mit gewünschten physikalischen Eigenschaften geeignet sind. Insbesondere erzeugt das Faserbehandlungssystem gelockerte Faserkabel, die schnittbereit sind, um geschnittene, kürzere Fasern mit reduzierten Faserkabelgrößen zu bilden. Nicht-einschränkende Beispiele der Fasern weisen Carbonfasern, Glasfasern, Polymerfasern, Naturfasern oder Kombinationen daraus auf.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Ausdruck ”Faserkabel” ein Faserbündel aus Faserfilamenten bezeichnen, die optional miteinander verhaftet oder verbunden sind. Die Faserfilamente können über eine Polymer- und/oder Harzbeschichtung miteinander verhaftet oder verbunden sein. Der Ausdruck ”Faserkabelgröße” kann ein Querschnittsmaß des Faserkabels, gemessen in einer Gesamtzahl von Faserfilamenten, bezeichnen. Beispielsweise bezeichnet ein 50 K-Faserkabel ein Faserbündel aus ungefähr 50.000 zusammengruppierten Faserfilamenten.
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Fasern wie etwa Carbonfasern mit kleineren Kabelgrößen können aufgrund eines relativ niedrigeren Produktionsdurchsatzes und höheren Energieverbrauchs pro gleichem Gewicht der hergestellten Faser beträchtlich teurer in der Herstellung sein. Es hat Versuche gegeben, kostengünstigere Großkabelfasern mechanisch zu spalten oder aufzutrennen und sie für nachfolgende Anwendungen zu Produkten mit kleinerer Kabelgröße neu zu spulen. Der Kabelspaltprozess erfordert jedoch Spezialausrüstung und kann durch häufiges Auftreten eines Verdrehens der langen, kontinuierlichen Faserkabel kompliziert werden. Infolgedessen ist die Verwendung geschnittener Fasern, die aus diesen mechanisch gespaltenen Fasern mit kleiner Kabelgröße entstehen, allgemein kostenungünstig und hemmt die effektive Verwendung von daraus resultierenden faserhaltigen Produkten wie etwa faserverstärkten Polymerverbundstoffen.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen weist das Faserbehandlungssystem eine rotierbare Noppenwalze mit beabstandeten, abstehenden Noppen darauf auf. Faserkabel können gegen die beabstandeten Noppen gepresst werden, so dass in sie eingedrungen wird und beabstandete Öffnungen innerhalb der Faserkabel erzeugt werden. Als Ergebnis sind die Faserkabel aufgrund der Bildung dieser beabstandeten Öffnungen geöffnet oder gelockert. Danach können die gelockerten Faserkabel geschnitten werden, und das Schneiden ermöglicht ein natürliches Auseinanderbrechen der Faserkabel, um geschnittene Fasern mit reduzierten Kabelgrößen zu bilden. Die Faserkabel werden lediglich gelockert, ohne sorgfältig aufgetrennt und zu einzelnen Spulen geordnet werden zu müssen. Das Faserbehandlungssystem stellt daher gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen einen einfachen und kostengünstigen Weg zum Herstellen von Fasern für bestimmte Anwendungen faserverstärkter Verbundstoffe bereit.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Muster und/oder die Form der beabstandeten Noppen variiert sein, um besondere Erfordernisse eines Faserbehandlungsprojektes zu berücksichtigen. In bestimmten Fällen sind die beabstandeten Noppen ungleichmäßig und zufällig angeordnet. In bestimmten Fällen können die Faserkabel auf zufällige Weise gelockert oder geöffnet werden, was bei Verbindung mit nachfolgendem Schneiden dabei hilft, eine Menge geschnittener Fasern mit zufällig erzeugten Querschnittsgrößen bereitzustellen, die für bestimmte Verbundstoffherstellungsprozesse geeignet sind, welche eine niedrige Viskosität von Faser-Harz-Mischungen erfordern, wodurch die Herstellung gewünschter Hochleistungsverbundstoffe ermöglicht wird.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen können die beabstandeten Noppen als ein abnehmbares Stück angeordnet sein, das leicht an der Basis der rotierbaren Noppenwalze oder einer der Faserwalzen wie etwa einer hier beschriebenen Verteilerwalze 104 zu befestigen ist. Somit kann ein einfacheres und vielseitigeres System und damit eine größere wirtschaftliche Effizienz erreicht werden.
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In einer Ausführungsform, und wie in 1A1 und 1A2 dargestellt, weist ein allgemein bei 100 gezeigtes Faserbehandlungssystem eine rotierbare Noppenwalze 102 auf, die eine Rotationsachse A-A' zum Lockern eines Faserkabels 110 aufweist. Die rotierbare Noppenwalze 102 weist eine Basis 102a mit einer Oberfläche 114 und eine Anzahl beabstandeter Noppen 102b auf, die von der Oberfläche 114 abstehen. Die beabstandeten Noppen 102b bringen beabstandete Öffnungen 116 in das Faserkabel 110 ein, um gelockertes Faserkabel 112 zu bilden. In bestimmten Fällen, und wie in 1A2 dargestellt, hat die Oberfläche 114 eine allgemein zylindrische Form, und die rotierbare Noppenwalze 102 hat ein Paar gegenüberliegender Enden 120, 122, zwischen denen sich die Oberfläche erstreckt.
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In einer anderen Ausführungsform, und wie in 1B dargestellt, kann das Faserbehandlungssystem 100 weiterhin eine Verteilerwalze 104 aufweisen, um das Faserkabel 110 abzuflachen, bevor es über die rotierbare Noppenwalze 102 gelockert wird. Die Verteilerwalze 104 kann mit einer glatten Oberfläche versehen sein. Ohne eine Einschränkung auf eine bestimmte Theorie zu beabsichtigen, wird angenommen, dass der Abflachungsschritt bei 104 dabei hilft, den Oberflächenkontakt zwischen dem Faserkabel 110 und den beabstandeten Noppen 102b der rotierbaren Noppenwalze 102 zu vergrößern. Der vergrößerte Oberflächenkontakt wiederum führt zu einer größeren Öffnungsbildung und besseren Lockerung der Fasern pro Gewichtseinheit des Faserkabels 110 und damit zu einer größeren Menge vereinzelter Fasern beim Schneiden.
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In 1B sind zwar nur eine Verteilerwalze 104 und eine rotierbare Noppenwalze 102 dargestellt, jedoch ist es innerhalb des Gedankens der vorliegenden Erfindung durchführbar, zwei oder mehrere Verteilerwalzen 104, in einem seriellen Verhältnis, der Noppenwalze 102 vorgelagert einzusetzen, etwa in einem in 2C illustrierten System, oder zwei oder mehr rotierbare Noppenwalzen 102 der Verteilerwalze 104 nachgelagert einzusetzen. Alternativ können die Verteilerwalzen 104 und die rotierbaren Noppenwalzen 102 in jeder geeigneten Reihenfolge vermischt und angepasst sein, solange wenigstens eine Verteilerwalze 104 wenigstens einer Noppenwalze 102 vorgelagert positioniert ist.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform, und wie in 1C dargestellt, sind drei einzelne Verteilerwalzen 104a, 104b und 104c der rotierbaren Noppenwalze 102 vorgelagert positioniert. Wenigstens eine der Verteilerwalzen 104a, 104b und 104c ist jeweils optional rotierbar. Insbesondere ist die Verteilerwalze 104b unterhalb der Verteilerwalze 104a positioniert, um dabei zu helfen, ein Herabziehen und resultierendes Abflachen des Faserkabels zu bewerkstelligen. Die Verteilerwalze 104c ist oberhalb der Verteilerwalze 104b positioniert, um dabei zu helfen, ein Heraufziehen und weiteres Abflachen des aus der Verteilerwalze 104b kommenden, bereits abgeflachten Faserkabels zu bewerkstelligen. Es wird angenommen, dass diese nicht-einschränkende räumliche Anordnung der Verteilerwalzen 104a, 104b, 104c die Faserabflachung und -verteilung effektiv unterstützt, da möglicherweise eine oder mehrere dieser Verteilerwalzen um ihre jeweilige Achse rotieren und für sich allein nicht unbedingt viel Zug bereitstellen.
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In wiederum einer anderen Ausführungsform weist das Faserbehandlungssystem 100 weiterhin eine Schneidestation auf, die durch eine Zugwalze 108, einen Klemmwalzensatz 118a und 118b und eine Schnitteinrichtung 120 gebildet wird. Im Betrieb bewerkstelligen die Zugwalze 108 und der Klemmwalzensatz 118a und 118b zusammen ein Ziehen des gelockerten Faserkabels 112 zu der Schnitteinrichtung 120. Das gelockerte Faserkabel 112 wird dann über die Schnitteinrichtung 120 auf eine bestimmte vorbestimmte Länge geschnitten. In besonderen Fällen, und wie in 1C dargestellt, können Messerklingen auf der äußeren Oberfläche der Schnitteinrichtung 120 positioniert sein und ein Schneiden von Fasern über einen Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Zugwalze 108 bewerkstelligen. Jedoch kann auch jede andere geeignete Schneidestation verwendet werden, um das Schneiden des sich lockernden Faserkabels 112 zu bewerkstelligen.
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2A stellt ein nicht-einschränkendes Muster der beabstandeten Noppen 102 in einer expandierten Draufsicht dar, wobei das Faserkabel 110 so gezeigt ist, dass es in einer Walzrichtung zu den beabstandeten Noppen 102b gewalzt wird und gegen die beabstandeten Noppen 102b gepresst wird, um ein gelockertes Faserkabel 112 zu bilden, das entsprechende beabstandete Öffnungen 116 aufweist. Wenigstens ein Teil der Öffnungen 116 sind relativ zueinander diskret, um eine Lockerung der umliegenden Faserfilamente zu bewerkstelligen, dabei aber das gesamte Faserkabel 112 als eine noch nicht getrennte Einheit zusammenzuhalten. Das gelockerte, aber noch kontinuierliche Faserkabel 112 wird dann in die Schnitteinrichtung gezogen und geschnitten. Die Schneidbewegung bricht das Faserkabel 112 auf natürliche Weise in geschnittene Fasern kleinerer Kabelgrößen. Ein Vorteil dieser Anordnung ist der, dass das resultierende gelockerte Faserkabel 112 unmittelbar nach der Lockerung geschnitten wird, anstatt als zusätzlicher Verarbeitungsschritt in Form kleinerer Faserkabelspulen gesammelt zu werden. Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung einen kostengünstigen Weg zum Bilden von geschnittenen Fasern und von Faserverbundstoffen unter Verwendung derselben.
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Die beabstandeten Noppen 102b können mit der Basis 102a integral gebildet sein, beispielsweise als natürliche Strukturerweiterung aus der Basis 102a. In bestimmen Fällen können die beabstandeten Noppen 102b und die Basis 102a aus demselben metallischen und/oder nichtmetallischen Material gebildet sein. Alternativ können die beabstandeten Noppen 102b relativ zu der Basis 102a abnehmbar sein. In bestimmten anderen Fällen können die beabstandeten Teile 102b und die Basis 102a aus verschiedenen Materialien gebildet sein. In bestimmten, besonderen Fällen können die beabstandeten Noppen 102b ein Polymermaterial wie etwa ein thermoplastisches Polymer oder ein wärmehärtendes Polymer, einschließlich Gummi, aufweisen. In bestimmten anderen besonderen Fällen bilden die beabstandeten Noppen 102b zusammen ein Netz aus diskreten Gummimaterialstücken mit abstehenden Erweiterungen. Zur weiteren Schaffung von Vielseitigkeit und Kosteneffizienz kann die Anzahl beabstandeter Noppen 102b als diskretes Stück vorgesehen sein, das zum Durchführen der Öffnung und Lockerung der Fasern leicht an einer der existierenden Verteilerwalzen 102a zu befestigen und davon abzunehmen ist.
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In bestimmten Fällen, und wie in 2B dargestellt, können die allgemein bei 102b gezeigten beabstandeten Noppen ungleichmäßig entlang einer Walzrichtung entsprechend dem gezeigten Pfeil ausgerichtet sein. Beispielsweise unterscheidet sich ein Abstand ”d1” zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen an der Linie L1 von einem Abstand ”d2” zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen bei Linie L2. Die Abstände ”d1” und ”d2” können sich jeweils unabhängig von einem Abstand ”dn” zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen an der Linie Ln unterscheiden. In bestimmten anderen Fällen kann eine ähnliche ungleichmäßige Anordnung auch unabhängig entlang einer anderen Richtung als der Walzrichtung, etwa einer Richtung quer zur Walzrichtung, auf die beabstandeten Noppen 102b angewandt werden.
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Außerdem, und um eine zusätzliche Ungleichmäßigkeit oder Zufälligkeit in die Anordnung der beabstandeten Noppen 102b einzuführen, können die Noppen von verschiedener Form sein, wobei nicht-einschränkende Beispiele derselben Nadeln, Dreiecke oder Kombinationen daraus aufweisen. Beispielsweise, und wie in 3A dargestellt, können die Noppen 102b einen Querschnitt von der Form eines Dreiecks 304 mit einer Spitze 302 zum Einbringen von Öffnungen in die Faserkabel haben. Wie in 3B dargestellt, können die Noppen 102b einen Querschnitt von der Form eines Dreiecks 308 mit einer Spitze 306 zum Einbringen von Öffnungen und einen erhöhten Unterteil 310 haben. Wie in 3C dargestellt, können die Noppen 102b einen Querschnitt von der Form zweier verbundener Dreiecke 314 mit Spitzen 312 zum Einbringen von Öffnungen und einen erhöhten Unterteil 316 zur Höhenanpassung haben. In diesen illustrierten Anordnungen können die Teile der Noppen 102b, die einen Querschnitt von der Form eines Dreiecks 304, 308, 314 haben, dreidimensional die Form eines Kegels oder einer Pyramide haben, wie in 3D illustriert. In bestimmten Fällen sind eine oder mehrere der Kanten 318, 320, 322, 324, 326 nicht parallel zu einer Ebene, die mit einem der gegenüberliegenden Enden 120, 122 der rotierbaren Noppenwalze 102 ausgerichtet und/oder dadurch bestimmt ist. In bestimmten anderen Fällen sind die eine oder die mehreren Spitzen 312 pro Noppe 102b in einer zu der Walzrichtung nicht parallelen Richtung ausgerichtet.
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In bestimmten Fällen haben 90 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 4 bis 10 Millimetern. In bestimmten anderen Fällen haben 80 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 4 bis 9 Millimeter. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 70 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 4 bis 8 Millimetern. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 60 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 4 bis 7 Millimetern. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 40 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 4 bis 6 Millimetern. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 30 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 4 bis 5 Millimetern.
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In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 20 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 9 bis 10 Millimetern. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 30 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 8 bis 10 Millimetern. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 50 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 7 bis 10 Millimetern. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 60 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 6 bis 10 Millimetern. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 80 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser eine durchschnittliche Kabelbreite im Bereich von 5 bis 10 Millimetern.
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In bestimmten Fällen haben 90 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 65 Milligramm pro Zoll. In weiteren bestimmten Fällen haben 85 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 60 Milligramm pro Zoll. In bestimmten Fällen haben 80 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 55 Milligramm pro Zoll. In weiteren bestimmten Fällen haben 70 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 50 Milligramm pro Zoll. In weiteren bestimmten Fällen haben 55 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 45 Milligramm pro Zoll. In weiteren bestimmten Fällen haben 40 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 40 Milligramm pro Zoll. In weiteren bestimmten Fällen haben 35 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 35 Milligramm pro Zoll. In weiteren bestimmten Fällen haben 25 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 30 Milligramm pro Zoll. In weiteren bestimmten Fällen haben 20 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 25 Milligramm pro Zoll. In weiteren bestimmten Fällen haben 15 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 15 bis 20 Milligramm pro Zoll.
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In bestimmten Fällen haben 90 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 20 bis 65 Milligramm pro Zoll. In bestimmten anderen Fällen haben 80 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 25 bis 65 Milligramm pro Zoll. In bestimmten anderen Fällen haben 70 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 30 bis 65 Milligramm pro Zoll. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 60 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 40 bis 65 Milligramm pro Zoll. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 55 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 45 bis 65 Milligramm pro Zoll. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 40 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 50 bis 65 Milligramm pro Zoll. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 20 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 55 bis 65 Milligramm pro Zoll. In wiederum bestimmten anderen Fällen haben 15 Prozent der aus dem gelockerten Faserkabel 112 hergestellten geschnittenen Faser ein durchschnittliches Kabelgewicht von 60 bis 65 Milligramm pro Zoll.
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Nach der allgemeinen Beschreibung dieser Erfindung kann ein weiteres Verständnis unter Bezugnahme auf bestimmte spezifische Beispiele erlangt werden, die hier nur zu Illustrationszwecken vorgelegt werden und nicht einschränkend sein sollen, sofern nicht anders spezifiziert.
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BEISPIEL
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4 illustriert eine Zugfestigkeit von Faserverbundstoff als Funktion der Faserkabelgröße (Anzahl von Faserfilamenten in einem Faserkabel). Wie in 4 dargestellt, erhöht sich mit einer Verringerung der Kabelgröße von 12 K auf 0,5 K die Zugfestigkeit von Faserverbundstoffen von 85 MPa auf 270 MPa. Eine Verbesserung der Festigkeitsverstärkung kann einer besseren Imprägnierung und besseren Dispersion der Fasern kleinerer Kabelgröße in der Harzmatrix zuzuordnen sein. Dieses Beispiel demonstriert, dass Fasern bei bestimmter Kabelgröße wie etwa einer Kabelgröße von mehr als 12 K sehr geringe Verstärkung der Zugfestigkeit der Harzverbundstoffe bereitstellen.
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5A und 5B stellen zwei Vergleichs-Faserbehandlungssysteme dar. Gemäß dem System aus 5A wird ein Faserkabel 510 über eine Zugwalze 508 gezogen und wird über eine Schnitteinrichtung (nicht gezeigt) geschnitten, um geschnittene 1-Zoll-Fasern zu bilden. Das System aus 5A beinhaltet keine Verwendung einer Verteilerwalze wie etwa der Verteilerwalze 104 aus 1B oder einer Noppenwalze wie etwa der Noppenwalze 102 aus 1A. Das System aus 5B weist vier glatte Verteilerwalzen 504a, 504b, 504c, 504d auf, die einer Zugwalze 508 vorgelagert angeordnet sind. Die Verteilerwalzen 504a, 504b, 504c, 504d sind dazu bestimmt, ein Faserkabel 510 abzuflachen, wodurch es dünner und abgeflachter wird, so dass es zu einem behandelten Faserkabel 510 wird, das über eine nachgelagerte Schnitteinrichtung (nicht gezeigt) geschnitten werden kann. Das System aus 5B beinhaltet keine Verwendung von Noppenwalzen wie etwa der Noppenwalze 102 in 1A. Die für dieses Vergleichsbeispiel verwendeten Fasern sind Panex 35 von Zoltek mit einer ursprünglichen Kabelgröße von 50 K. Die geschnittenen 1-Zoll-Fasern können mit Harzpaste kombiniert werden, um Verbundprodukte zu bilden. Eine gute Kopplung des Harzsystems mit den geschnittenen Fasern ist vorteilhaft, um eine adäquate Faserverstärkung für die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.
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Entsprechende Daten sind in 6A1 und 6A2 und 6B1 und 6B2 verzeichnet. 6A1 und 6A2 zeigen die Verteilungen der Breite bzw. des Gewichts des geschnittenen 1-Zoll-Faserkabels, das durch das System aus 5A gewonnen wird. 6B1 und 6B2 zeigen Verteilungen der Breite bzw. des Gewichts von geschnittenem 1-Zoll-Faserkabel, das durch das System aus 5B gewonnen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Walzen die 50 K-Faserkabel von der ursprünglichen mittleren Breite von 8,5 Millimetern (mm) auf die mittlere Breite von 15,8 mm abgeflacht und verteilt haben. Die durch die Walzen bearbeiteten Faserkabel bleiben jedoch intakt und ohne sichtbares Aufbrechen in der Kabelgröße. Beweise hierfür sind das nahezu identische mittlere Gewicht von ungefähr 92 Milligramm (mg) und die sehr ähnliche Gewichtsverteilung der geschnittenen 1-Zoll-Fasern mit und ohne die Walzenbearbeitung. Das Fasergewicht von 92 mg entspricht dem Gesamtgewicht von 50.000 Ein-Zoll-Faserfilamenten in den Panex-35-Carbonfaserkabeln.
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Im Vergleich mit dem System aus 5A oder dem System aus 5B ist ein Faserbehandlungssystem entsprechend 1C und als ein nicht-einschränkendes Beispiel dafür erstellt. In diesem Beispiel ist an einer der Verteilerwalzen ein genoppter Gummibogen befestigt, oder sie ist damit bedeckt, wobei der genoppte Gummibogen vorstehende Erhebungen hat, die mechanisch in das Faserkabel eindringen und es öffnen, um gelockertes oder geöffnetes Faserkabel zu bilden. Die runden Noppen auf dem Gummibogen haben einen Durchmesser von ungefähr 3 mm und eine Höhe von ungefähr 2 mm und sind sowohl in der x- als auch in der y-Richtung in einem Abstand von ungefähr 8 mm angeordnet. Nach einem nachfolgenden Schneiden in einer Schnitteinrichtung sind die resultierenden Verteilungen von Breite und Gewicht des geschnittenen 1-Zoll-Faserkabels in 7A und 7B dargestellt.
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Wie in 7A und 7B dargestellt, zeigen die Daten, dass die mittlere Breite der geschnittenen Fasern 7,3 mm beträgt, gegenüber 8,5 mm bei Fasern, die mit dem System aus 5A bearbeitet sind, und 15,8 mm bei solchen, die mit dem System aus 5B bearbeitet sind. Das mittlere Fasergewicht des geschnittenen 1-Zoll-Faserkabels beträgt 43,7 mg, gegenüber den ursprünglichen 92 mg mit Bezug auf 5A und 5B. Die Gewichtsveränderung zeigt, dass das System aus 1C bei Kopplung mit einer nachgelagerten Schnitteinrichtung bei dem gelockerten, geschnittenen Faserkabel effektiv eine Kabelreduktion bewirkt hat, etwa von den ursprünglichen 50 K-Bündeln zu zwei Kabelbündeln mit ungefähr 25 K. In bestimmten Fällen sind nicht-einschränkende Beispiele für das Faserbehandlungssystem gemäß wiederum einer weiteren Ausführungsform in 8A und 8B dargestellt.
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Es wurde zwar der beste Modus zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben, jedoch wird der Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, unterschiedliche alternative Gestaltungen und Ausführungsformen zum Ausüben der Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche bestimmt ist, erkennen.
