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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren eines Rovings sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Faserverbundwerkstoffe finden zunehmend Einsatz in einer Vielzahl von technischen Bereichen, unter anderem der Automobiltechnik. Hierbei kommen unterschiedliche technische Fertigungsverfahren zum Einsatz, wobei erhebliche Anstrengungen unternommen werden, um eine einfache und schnelle Verarbeitbarkeit zur kostengünstigen Herstellung von Faserverbundbauteilen insbesondere in einer Serienfertigung mit hohen Stückzahlen bereitzustellen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Faserbündel – sogenannte Rovings – aus Endlosfasern (Filamente) herzustellen, die anschließend zur Fertigung von Faserverbundwerkstoffen weiterverarbeitet werden. Hierzu werden aus den Rovings mittels maschinellem Wickeln, Weben, Flechten oder Stricken sogenannte Faser-Halbzeuge erstellt. Alternativ können die Rovings zur Herstellung von Prepregs maschinell als Bänder oder Gelege abgelegt werden.
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Es ist bekannt, Rovings zu ihrer Herstellung mittels sogenannter Haspel-Stationen aus einer Anzahl einzelner Filamente zu erzeugen und über Umlenkrollen einem Bad aus einem Matrix-Gemisch zuzuführen. Dieses umfasst in der Regel mindestens zwei Komponenten, Harz und Härter, und kann gegebenenfalls mit einem internen Trennmittel als dritte Komponente ergänzt sein. Der Roving als Endlosstrang wird hierbei durch das Bad hindurch gezogen. Nachfolgende Abstreifer streifen überschüssige Matrix von dem imprägnierten Roving ab, bevor dieser im Anschluss hieran auf einen Wickeldorn aufgewickelt und für eine weitere Verarbeitung bereitgestellt wird.
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Nachteilig wirken sich in diesem Herstellungsprozess die technischen Randbedingungen der Matrix aus. So ist aufgrund des eingesetzten Harzes und des zugehörigen Härters, aber auch aufgrund einer herrschenden Umgebungstemperatur, eine maximale Verarbeitungszeit für die Matrix und somit auch für den mit der Matrix imprägnierten Roving begrenzt, bevor ein gleichzeitig ablaufender Aushärteprozess eine weitere Verarbeitung verhindert.
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Außerdem beeinflussen diese Randbedingungen die Produktionsleistung einer Produktionsanlage zur Herstellung des Rovings. Einerseits muss zum Imprägnieren des Rovings eine ausreichend lange Einwirkzeit der Matrix bereitgestellt werden, um ein ausreichendes Eindringen der Matrix in den Roving und somit eine ausreichende Imprägnierung sicherzustellen. Andererseits muss die beschriebene gleichzeitig fortschreitende Aushärtung der Matrix berücksichtigt werden. Dies hat zur Folge, dass eine Verarbeitungsgeschwindigkeit und damit einhergehend eine maximale Produktionsleistung einer entsprechenden Produktionsanlage stark begrenzt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Herstellung von imprägnierten Rovings bereitzustellen, das eine schnellere und verbesserte Herstellung ermöglicht, sowie eine zugehörige Vorrichtung vorzusehen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.
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Demnach wird ein Verfahren zum Imprägnieren eines Rovings mit den folgenden Schritten bereitgestellt:
- – Bereitstellen eines Rovings mit einer ersten Temperatur T1,
- – Erwärmen des Rovings auf eine definierte zweite Temperatur T2,
- – Zuführen eines Matrix-Gemisches mit einer dritten Temperatur T3, und
- – Imprägnieren des erwärmten Rovings mit dem zugeführten Matrix-Gemisch, wobei die zweite Temperatur T2 größer als die erste Temperatur T1 ist.
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Der zugeführte Roving wird also von der ersten Temperatur T1 auf die zweite Temperatur T2 erwärmt und anschießend mit dem zugeführten Matrix-Gemisch imprägniert. Dies bietet den Vorteil, dass das Matrix-Gemisch einerseits leichter und schneller in eine Faserstruktur des Rovings eindringen und diese in verbesserter Weise tiefergehend durchsetzen kann, als dies ohne Erwärmung des Rovings der Fall wäre.
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Gleichzeitig wird eine Geschwindigkeit des Imprägniervorgangs auf diese Art verbessert, so dass eine maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit des Rovings gesteigert werden kann.
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Dies liegt insbesondere in einer temperaturabhängigen Veränderung einer Viskosität des Matrix-Gemisches begründet, da diese mit steigender Temperatur abnimmt und somit das Matrix-Gemisch vereinfacht gesprochen dünnflüssiger ist, so dass es leichter und schneller in die Faserstruktur eindringen kann.
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Liegt die dritte Temperatur des Matrix-Gemisches über der zweiten Temperatur, so wird das Matrix-Gemisch aufgrund einer geringeren Temperaturdifferenz zu der zweiten Temperatur (T3 > T2 > T1) im Vergleich zu einer Temperaturdifferenz der dritten Temperatur zu der ersten Temperatur beim Auftragen auf den Roving weniger stark abgekühlt. Als Folge der geringeren Abkühlung behält das Matrix-Gemisch eine höhere Temperatur bei, so dass diese aufgrund ihrer niedrigeren Viskosität leichter und schneller in die Faserstruktur eindringen und diese durchsetzen kann.
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Liegt die dritte Temperatur des Matrix-Gemisches unter der zweiten Temperatur, so wird das Matrix-Gemisch beim Auftreffen auf den Roving nicht abgekühlt, sondern zusätzlich erwärmt. Auf diese Weise kann eine Temperatur des Matrix-Gemischs besonders vorteilhaft erhalten oder sogar zusätzlich erhöht werden, wodurch sich eine besonders niedrige Viskosität für ein schnelleres und leichteres Eindringen in die Faserstruktur erzielen lässt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem einen nachfolgenden Schritt des Abkühlens des imprägnierten Rovings auf eine vierte Temperatur, wobei die vierte Temperatur kleiner als die dritte Temperatur des zugeführten Matrix-Gemischs ist.
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Das voranstehend beschriebene Verarbeiten der Matrix bei höheren Temperaturen bewirkt eine Beschleunigung des Aushärteprozesses. Daher wird mittels des vorgeschlagenen Abkühlens möglichst schnell die Temperatur der Matrix nach ihrem Eindringen in den Roving herabgesetzt und somit der Aushärtevorgang verlangsamt oder in Abhängigkeit von der Temperatur sogar gestoppt. Der Roving wird hierzu – wie beschrieben – auf die vierte Temperatur T4 herab gekühlt und bleibt somit über eine längere Zeitspanne verarbeitbar.
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Die dritte Temperatur T3 des Matrix-Gemischs stellt sich in der Regel als Mischtemperatur durch Mischen mehrerer Komponenten der Matrix ein.
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Hierbei wird jede Komponente mit einer individuell angepassten Temperatur zugeführt und mit den jeweils anderen Komponenten in einem gewünschten Verhältnis vermischt.
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Soll die Temperatur des Matrix-Gemisches über die Mischtemperatur hinaus weiter angehoben werden, so kann das Verfahren außerdem einen Schritt des Erwärmens des Matrix-Gemischs auf die gewünschte dritte Temperatur vor dem Schritt des Imprägnierens umfassen, wobei die dritte Temperatur größer als die erste Temperatur und/oder die dritte Temperatur größer als die zweite Temperatur ist.
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Mittels des zusätzlichen Erwärmens des Matrix-Gemisches auf die gewünschte dritte Temperatur kann die beschriebene Viskositätsbeeinflussung zusätzlich unterstützt werden. Die Auswirkungen einer Festlegung auf eine Temperatur größer als die erste und/oder größer als die zweite Temperatur wurde voranstehend bereits beschrieben.
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Zusätzlich wird eine Vorrichtung zum Imprägnieren eines Rovings vorgeschlagen, die zum Ausführen des beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform wird die Vorrichtung vorgeschlagen, mit
- – einer ersten Zuführanordnung zum kontinuierlichen Zuführen des Rovings mit einer ersten Temperatur in die Vorrichtung,
- – einer ersten Heizanordnung zum kontinuierlichen Erwärmen des zugeführten Rovings auf eine zweite Temperatur, und
- – einem Imprägnierabschnitt zum kontinuierlichen Imprägnieren des zugeführten und erwärmten Rovings, sowie
- – einer zweiten Zuführanordnung zum Zuführen eines Matrix-Gemisches in den Imprägnierabschnitt zum kontinuierlichen Imprägnieren des Rovings, wobei die zweite Temperatur größer als die erste Temperatur ist.
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Der Roving wird also als Endlosstrang über die Zuführanordnung in die Vorrichtung eingeleitet und durchläuft die genannten Komponenten kontinuierlich, also ohne an einer Stelle zu verharren. Die jeweiligen Bearbeitungsschritte erfolgen somit im Vorbeilaufen des Rovings.
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Entsprechend einer Ausführungsform umfasst die zweite Zuführanordnung eine zweite Heizanordnung zum Erwärmen des zuzuführenden Matrix-Gemischs auf die dritte Temperatur, wobei die dritte Temperatur größer als die erste Temperatur und/oder die dritte Temperatur größer als die zweite Temperatur ist.
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Beispielsweise kann die zweite Heizanordnung beheizbare Fluidleitungen zum Führen des Matrix-Gemischs und/oder zum Führen einzelner Komponenten des Matrix-Gemischs und/oder eine beheizbare Mischdüse zum Erwärmen des in der Mischdüse gemischten Matrix-Gemischs umfassen.
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Die erste Heizanordnung kann mindestens eine der folgenden Heizvorrichtungen zum Erwärmen des Rovings umfassen:
- – mindestens eine beheizbare Führung für den Roving,
- – mindestens einen Mikrowellenstrahler,
- – mindestens eine konduktive Heizung, und/oder
- – mindestens eine Heißluftzuführung.
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Die beschriebene beheizbare Führung für den Roving kann beispielsweise einen beheizbaren Führungskanal und/oder eine beheizbare Führungsrolle umfassen, so dass dem Roving beim Durchführen durch den Kanal oder beim Abrollen auf der Rolle Wärme zugeführt wird.
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Bei der beschriebenen Erwärmung des Rovings mittels des Mikrowellenstrahlers ist auf eine geeignete Abschirmung von ausgesendeten Mikrowellen zum Schutz der Umgebung zu achten. Beispielsweise kann die entsprechende Heizanordnung hierzu eine im Wesentlichen abgeschlossene Kammer umfassen, die außerdem zu einer kontinuierlichen Durchführung des Rovings ausgebildet ist, um die kontinuierliche Erwärmung bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung außerdem eine Dosieranordnung zum Dosieren und Mischen des Matrix-Gemisches. Bekannte Dosieranordnungen umfassen üblicherweise jeweils eine separate Zuleitung für jede Komponente des Matrix-Gemischs in eine gemeinsame Mischkammer. In dieser werden die Komponenten miteinander vermischt und über eine Ausleitung zur Weiterverarbeitung weitergeleitet.
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Außerdem kann die Vorrichtung einen Wickeldorn zum Aufwickeln des imprägnierten Rovings und/oder einen Kühlabschnitt zum Kühlen des imprägnierten Rovings auf die vierte Temperatur umfassen. Der Wickeldorn kann vorgesehen sein, um den erzeugten Roving aufzuwickeln und diesen für eine weitere Verarbeitung bereitzustellen. Der Kühlabschnitt kann vorgesehen werden, um den erzeugten Roving nach dem Schritt des Imprägnierens zu kühlen und somit gemäß der voranstehenden Darstellung eine Aushärtereaktion zumindest zu verlangsamen. Hierzu kann der Kühlabschnitt zum kontinuierlichen Kühlen beispielsweise als Kühltunnel ausgebildet sein, so dass der Roving an einem Ende in den Kühlabschnitt eintritt und an einem anderen Ende aus diesem austritt, also den Kühlabschnitt kontinuierlich durchläuft. Alternativ kann der Kühlabschnitt beispielsweise als Kühlkammer ausgebildet sein, in der der Wickeldorn angeordnet ist, so dass eine Kühlung während oder nach dem Aufwickeln erfolgt.
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Des Weiteren kann die Vorrichtung eine Geschwindigkeitsregelanordnung zum Steuern und/oder Regeln einer Zuführgeschwindigkeit für das kontinuierliche Zuführen des Rovings in die Vorrichtung umfassen. Vorzugsweise kann hiermit auch eine Durchlaufgeschwindigkeit des Rovings für das kontinuierliche Durchlaufen der Vorrichtung gesteuert bzw. geregelt werden.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform liegt die erste Temperatur T1 vorzugsweise bei Raumtemperatur, also zwischen ca. +10°C bis ca. +35°C (Grad Celsius).
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform liegt die zweite Temperatur T2 vorzugsweise zwischen ca. +60°C und ca. +150°C.
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Beispielsweise kann die dritte Temperatur T3 im Bereich einer Mischtemperatur des verwendeten Harzes und somit je nach Harz beispielsweise zwischen ca. +30°C und ca. +60°C liegen.
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Des Weiteren sollte die vierte Temperatur T4 zur Kühlung geeignet sein und liegt somit beispielsweise zwischen ca. –10°C und +10°C.
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Die gewählten Temperaturen sind lediglich beispielhaft zu verstehen und derart aufeinander abzustimmen, dass die definierten Temperaturverhältnisse berücksichtigt bleiben.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Imprägnieren eines Rovings gemäß der Beschreibung, und
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2–6 schematische Darstellungen möglicher erster Heizanordnungen gemäß der Beschreibung für eine Vorrichtung nach 1.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Imprägnieren eines Rovings 11, wobei die Vorrichtung zum Ausführen des folgenden Verfahrens ausgebildet ist:
- – Bereitstellen des Rovings 11 mit einer ersten Temperatur T1,
- – Erwärmen des Rovings 11 auf eine definierte zweite Temperatur T2,
- – Zuführen eines Matrix-Gemisches 13 mit einer dritten Temperatur T3, und
- – Imprägnieren des erwärmten Rovings 11 mit dem zugeführten Matrix-Gemisch 13, wobei die zweite Temperatur T2 größer als die erste Temperatur T1 ist.
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Die Vorrichtung 10 zum Imprägnieren des Rovings 11 umfasst hierzu
- – eine ersten Zuführanordnung 14 zum kontinuierlichen Zuführen des Rovings 11 mit der ersten Temperatur T1 in die Vorrichtung 10,
- – eine erste Heizanordnung 15 zum kontinuierlichen Erwärmen des zugeführten Rovings 11 auf die zweite Temperatur T2,
- – einen Imprägnierabschnitt 16 zum kontinuierlichen Imprägnieren des zugeführten und erwärmten Rovings 11, sowie
- – eine zweite Zuführanordnung 17 zum Zuführen des Matrix-Gemisches 13 in den Imprägnierabschnitt 16 zum kontinuierlichen Imprägnieren des erwärmten Rovings 11, wobei die zweite Temperatur T2 größer als die erste Temperatur T1 ist.
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Die Vorrichtung 10 umfasst außerdem eine Dosieranordnung 18 zum Dosieren und Mischen des Matrix-Gemisches 13 aus einer Anzahl von Komponenten. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Komponenten A, B und C vorgesehen. Es versteht sich jedoch, dass ebenso lediglich eine, zwei oder beliebig viele weitere Komponenten vorgesehen werden können. Jede Komponente wird mit einer für diese Komponente erforderlichen Temperatur TA, TB, TC zugeführt und miteinander vermischt, wobei sich die resultierende Mischtemperatur T3* einstellt. Entspricht diese der gewünschten Temperatur T3, so kann sie dem Imprägnierabschnitt zugeführt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, die Mischtemperatur T3* bei Bedarf zusätzlich auf die dritte Temperatur T3 zu erwärmen, falls T3* kleiner als die gewünschte dritte Temperatur T3 ist.
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Die Mischtemperatur bzw. die dritte Temperatur T3 ist größer als die erste Temperatur T1. Optional kann die dritte Temperatur T3 ebenfalls größer als die zweite Temperatur T2 sein.
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Die zweite Zuführanordnung 17 umfasst optional eine integrierte zweite Heizanordnung (nicht separat dargestellt) zum zusätzlichen Erwärmen des zuzuführenden Matrix-Gemischs auf die dritte Temperatur T3, falls die Mischtemperatur des Matrix-Gemischs – wie beschrieben – nicht bereits die gewünschte Temperatur T3 aufweist.
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Zusätzlich kann die Vorrichtung optional einen Wickeldorn 19 zum Aufwickeln des imprägnierten Rovings 11, und/oder einen Kühlabschnitt 20 zum Kühlen des imprägnierten Rovings 11 auf eine vierte Temperatur T4 umfassen.
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Nicht dargestellt ist eine ebenfalls optional vorsehbare Geschwindigkeitsregelanordnung zum Steuern und/oder Regeln einer Zuführgeschwindigkeit für das kontinuierliche Zuführen des Rovings 11 in die Vorrichtung 10 bzw. durch diese hindurch.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten, alternativen Heizanordnungen 25 für die Vorrichtung 10 nach 1. Die erste Heizanordnung 25 ist zum Erwärmen des zuzuführenden Rovings 11 auf die zweite Temperatur T2 vorgesehen und kann eine mit der Temperatur TR beheizbare Führung für den Roving 11 umfassen. Diese Führung ist in der dargestellten Ausführungsform in lediglich schematischer Weise als beheizbare Führungsrolle 25a dargestellt, die bei Abrollen des Rovings 11 auf der Führungsrolle 25 Wärme an den Roving 11 abgibt und diesen somit erwärmt. Selbstverständlich kann die erste Heizanordnung 25 mehr als eine Führungsrolle 25a sowie weitere Führungselemente umfassen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten, alternativen Heizanordnungen 35 für die Vorrichtung 10 nach 1. Die erste Heizanordnung 35 ist zum Erwärmen des zuzuführenden Rovings 11 auf die zweite Temperatur T2 vorgesehen und kann mindestens einen Mikrowellenstrahler 35a umfassen, der dazu ausgebildet ist, den durchlaufenden Roving 11 zu erwärmen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten, alternativen Heizanordnungen 45 für die Vorrichtung 10 nach 1. Die erste Heizanordnung 45 ist zum Erwärmen des zuzuführenden Rovings 11 auf die zweite Temperatur T2 vorgesehen und kann mindestens eine Heißluftzufuhr 45a umfassen, die dazu ausgebildet ist, den durchlaufenden Roving 11 zu erwärmen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften, alternativen Heizanordnungen 55 für die Vorrichtung 10 nach 1. Die erste Heizanordnung 55 ist zum Erwärmen des zuzuführenden Rovings auf die zweite Temperatur T2 vorgesehen und kann mindestens eine konduktive Heizung. Hierbei wird die elektrische Leitfähigkeit des Rovings ausgenutzt, indem zwischen zwei beabstandeten Stellen 56a, 56b eine Spannung mittels einer regelbaren Spannungsquelle 56 angelegt wird. Dies bewirkt einen durch den Roving 11 fließenden Strom, der den durchlaufenden Roving 11 kontinuierlich erhitzt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten, alternativen Heizanordnungen 65 für die Vorrichtung 10 nach 1. Die erste Heizanordnung 65 ist zum Erwärmen des zuzuführenden Rovings 11 auf die zweite Temperatur T2 vorgesehen und kann mindestens ein Heizelement 65a, beispielsweise mittels einer Heißluftzuführung, umfassen, die dazu ausgebildet ist, die Haspeleinheit 61 für die Herstellung des Rovings 11 zu beheizen und somit die einzelnen Filamente bzw. den hieraus anschließend erzeugten Roving 11 zu erwärmen. Dieser wird nachfolgend dem Imprägnierabschnitt zugeführt.
