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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers in einem kontinuierlichen Verfahren, insbesondere ein Pultrusionsverfahren.
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Stand der Technik
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Als Faserverbundwerkstoffe werden Werkstoffe bezeichnet, die aus in einer Polymermatrix eingebetteten, verstärkenden Fasern bestehen und sich durch ihre hohe spezifische Festigkeit auszeichnen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsvarianten von Faserverbundwerkstoffen, sowie verschiedene Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe bekannt.
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Üblicherweise werden längliche Faserverbundwerkstoff-Körper durch ein Pultrusionsverfahren hergestellt. Dabei werden die zur Verstärkung dienenden Faserstränge in eine Polymermatrix eingebettet und mittels einer Zieheinrichtung durch eine Formgebungseinrichtung gezogen.
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Aus den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von Faserverbundwerkstoffen ergibt sich das Bedürfnis, Faserverbundwerkstoff-Körper mit über die Länge variierendem Querschnittsprofil herzustellen. Dies wurde bisher beispielsweise durch nachträgliche spanende Bearbeitung des Faserverbundwerkstoffs im Anschluss an das Pultrusionsverfahren erreicht. Diese nachträgliche Bearbeitung ist allerdings mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.
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Ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mit Abschnitten unterschiedlicher Querschnittformen in einem Pultrusionsverfahren ist aus der
EP 0382240 B1 bekannt, wobei mehrere Verformungs-Düseneinrichtungen, durch welche dem durchgezogenen Faserverbundwerkstoff eine Querschnittform verliehen wird, in Reihe angeordnet sind. Die Verformungs-Düseneinrichtungen weisen unterschiedliche Formen auf und können unabhängig voneinander geöffnet oder geschlossen werden, sodass zumindest einem Teil des durchgezogenen Faserverbundwerkstoffs die Querschnittform einer oder mehrerer Verformungs-Düseneinrichtungen verliehen wird.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2009 053 967 A1 ist ein Strangziehwerkzeug sowie ein Verfahren zum Endformen von strangzuziehenden Faserverbundprofilen bekannt.
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Die Patentschrift
DD 42 973 B3 betrifft betrifft eine Formgeberdüse zum kontinuierlichen Ziehen von glasfaserverstärkten Kunststoffprofilen und -rohren, wobei die Formgeberdüse allseitig einstelbare Verstellbacken besitzt, die jederzeit auch während des Betriebes mechanisch verstellt werden können.
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Die japanische Offenlegungsschrift
JP H 05-305 674 A beschreibt eine Pultrusionseinrichtung zur Herstellung eines pultrudierten Materials, das in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden kann.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2010 047 084 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundfederkörpers. Durch eine Formmatrize wird ein Faserstrang durch ein Pultrusionsverfahren vorgeformt, in einem Nachheizelement ausgehärtet und anschließend in einer Beschneidestation abschnittweise getrennt, so dass fertige Faserverbundfederkörper entstehen. Als wesentlich wird aufgeführt, dass Faserverbundfederkörper mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien und/oder Querschnittsflächen mit harmonischen Übergängen zwischen den verschiedenen Querschnittsgeometrien hergestellt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige und kostengünstige Vorrichtung anzugeben, mit der die Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers mit über die Länge variierendem Querschnittsprofil möglich ist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges, einfaches und schnell durchführbares Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers mit über die Länge variierendem Querschnittsprofil bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers in einem kontinuierlichen Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers in einem kontinuierlichen Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers in einem kontinuierlichen Verfahren, umfasst eine Formgebungseinrichtung, die eine Formwand aufweist. Weiterhin beinhaltet die Formgebungseinrichtung eine Formöffnung, die von der Formwand ausgebildet ist, durch welche der Faserverbundwerkstoff-Körper in einer Pultrusionsrichtung ziehbar ist. Die Formwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist mindestens einen bewegbaren Formwandbereich auf.
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Ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines länglichen Faserverbundwerkstoff-Körpers ist beispielsweise ein Pultrusionsverfahren. In einem solchen Pultrusionsverfahren werden durch eine Zieheinrichtung Faserstränge in Pultrusionsrichtung durch die Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers gezogen.
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Bei den Fasersträngen kann es sich um Natur- und/oder Kunstfasern handeln, wie beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern.
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Die Faserstränge durchlaufen in Pultrusionsrichtung üblicherweise zunächst eine Polymermatrix-Tränke, in der sich flüssiger Kunststoff zur Bildung einer Polymermatrix befindet. Als Kunststoff können sowohl duroplastische als auch thermoplastische Polymere, wie beispielsweise Polyesterharze, Vinylesterharze, Epoxidharze, Polyamide, Polypropylene oder Polyethylene verwendet werden. In der Polymermatrix-Tränke werden die Faserstränge zur Einbettung in den Kunststoff mit dem flüssigen Kunststoff getränkt. Der Faserverbundwerkstoff-Strang wird anschließend in eine Formgebungseinrichtung gezogen, in der eine Aushärtung, sowie eine endgültige Formgebung des Faserverbundwerkstoffstrangs beim Durchlaufen der Formgebungseinrichtung erfolgt. Im Anschluss an die Formgebungseinrichtung durchläuft der Faserverbundwerkstoff-Körper in Pultrusionsrichtung eine Schneideeinrichtung, in der der feste, ausgehärtete Faserverbundwerkstoff-Körper auf eine bestimmte Länge zugeschnitten wird.
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Bei der Pultrusionsrichtung handelt es sich üblicherweise um die Richtung, in welcher der Faserverbundwerkstoff-Körper die Formgebungseinrichtung durchläuft.
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Beim Durchlaufen der Formgebungseinrichtung wird der Faserverbundwerkstoff-Körper durch die Formöffnung der Formgebungseinrichtung gezogen, wobei dem Faserverbundwerkstoff-Körper im Querschnitt die Geometrie der Formöffnung aufgeprägt wird. Der Faserverbundwerkstoff-Körper weist beim Verlassen der Formöffnung im Querschnitt dessen Geometrie auf.
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Ein bewegbarer Formwandbereich ermöglicht eine einfache Änderung der Geometrie der Formöffnung während des kontinuierlichen Herstellungsverfahrens, wodurch längliche Faserverbundwerkstoff-Körper mit über die Länge variierendem Querschnittsprofil herstellbar sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Faserverbundwerkstoff-Körper mit über die Länge variierendem Querschnittsprofil herstellbar, die einen in Längsrichtung durchgehenden Faserverlauf aufweisen, wodurch die Ausbildung von lokalen festigkeitsverringernden Strukturveränderungen auf dem Faserverbundwerkstoff-Körper durch zerstörte Fasern, wie sie beispielsweise bei einer anschließenden spanenden Bearbeitung entstehen, verhindert wird.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine anschließende spanende Bearbeitung des Faserverbundwerkstoff-Körpers zum Aufbringen des gewünschten Querschnittsprofils nicht notwendig, wodurch Kosten und Zeit in der Fertigung gespart werden.
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Auch der Einsatz mehrerer in Reihe angeordneter Formgebungseinrichtungen zum Aufbringen eines über die Länge variierenden Querschnittsprofils wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vermieden. Die Realisierung des Aufbringens des über die Länge variierenden Querschnittsprofils in einem Bauteil, der Formgebungseinrichtung mit mindestens einem bewegbaren Formwandbereich, reduziert die bisher erforderlichen Komponenten und Arbeitsschritte erheblich, wodurch eine Kosten- und Zeiteinsparung erreicht wird.
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Erfindungsgemäß ist der mindestens eine bewegbare Formwandbereich derart angeordnet, dass eine Bewegung des mindestens einen bewegbaren Formwandbereichs die Geometrie der Formöffnung verändert.
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Ferner sieht die Erfindung vor, dass die Formwand mindestens eine schräg zur Pultrusionsrichtung, insbesondere in einem Winkel von 45° angeordnete Führungsaussparung aufweist, in welcher der mindestens eine bewegbare Formwandbereich angeordnet ist. Durch die Führungsaussparung wird eine gezielte Führung des bewegbaren Formwandbereichs zur Veränderung der Geometrie der Formöffnung ermöglicht. Durch die Neigung der Führungsaussparung wird der darin geführte bewegbare Formwandbereich in einem Winkel schräg zur Pultrusionsrichtung in die Formöffnung eingeführt. Die schräge Anordnung erleichtert die Änderung der Geometrie der Formöffnung während des Pultrusionsverfahrens, da die Kraft durch den in Pultrusionsrichtung die Formöffnung durchlaufenden Faserverbundwerkstoff-Körper auf einen schräg zur Pultrusionsrichtung bewegbaren Formwandbereich geringer ist, als beispielsweise auf einen senkrecht zur Pultrusionsrichtung bewegbaren Formwandbereich, wodurch des Weiteren eine Verletzung der in Pultrusionsrichtung verlaufenden Fasern während des Pultrusionsvorgangs vermieden wird. Es ist ferner denkbar, die Führungsaussparung in beliebigen weiteren Winkeln zur Pultrusionsrichtung anzuordnen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in der mindestens einen Führungsaussparung ein Dichtelement angeordnet. Das Dichtelement verhindert insbesondere das Eintreten von flüssigem Kunststoff in die Führungsaussparung, der, insbesondere in ausgehärteter Form, die Bewegung des bewegbaren Formwandbereichs in der Führungsaussparung behindert oder verhindert. Zusätzlich kann in der Führungsaussparung ein Führungselement angeordnet sein, um den bewegbaren Formwandbereich in der Führungsaussparung zu führen. Es ist auch eine Kombination aus einem Dichtelement und einem Führungselement denkbar. Ein solches Element kann beispielsweise eine mechanische Passung sein, die gleichzeitig eine Führung des bewegbaren Formwandbereichs und eine Abdichtung der Führungsaussparung realisiert.
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Des Weiteren weist die Formgebungseinrichtung nach einem weiteren Aspekt in Pultrusionsrichtung einen Einzugsbereich, einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich beheizbar oder kühlbar sind. Durch Erhitzen und/oder Kühlen des Faserverbundwerkstoff-Körpers ist dessen Aushärtung innerhalb der Formgebungseinrichtung steuerbar. Gezieltes Heizen und/oder Kühlen des ersten Bereichs und zweiten Bereichs der Formgebungseinrichtung ermöglicht eine Aushärtung des Faserverbundwerkstoff-Körpers an einem gewünschten Ort in der Formgebungseinrichtung. Der Faserverbundwerkstoff-Körper kann die Formgebungseinrichtung in einem ausgehärteten oder einem verformbaren Zustand verlassen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Temperatur des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs der Formgebungseinrichtung derart einstellbar, dass der Faserverbundwerkstoff-Körper in dem ersten Bereich verformbar und in dem zweiten Bereich ausgehärtet ist, und wobei der mindestens eine bewegbare Formwandbereich in dem ersten Bereich angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass die Formung des Faserverbundwerkstoff-Körpers vor der Aushärtung des Faserverbundwerkstoff-Körpers erfolgt.
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Der mindestens eine bewegbare Formwandbereich ist nach einer weiteren Ausführungsform zumindest teilweise sowohl in dem ersten Bereich als auch in dem zweiten Bereich angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass der Faserverbundwerkstoff-Körper beim Durchlaufen der Formöffnung von einem verformbaren in einen festen, ausgehärteten Zustand übergeht. Diese Anordnung stellt daher sicher, dass sich die Querschnittsgeometrie des Faserverbundwerkstoff-Körpers nach dem Austritt aus der Formöffnung nicht verändern kann und die endgültige Querschnittsgeometrie aufweist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Bewegung des mindestens einen bewegbaren Formwandbereichs auf, wobei die Einrichtung eine hydraulische Einrichtung, eine mechanische Einrichtung oder eine pneumatische Einrichtung ist.
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Der mindestens eine bewegbare Formwandbereich umfasst nach einer weiteren Ausführungsform mehrere bewegbare Formwandbereiche, die unabhängig voneinander oder in Abhängigkeit zueinander bewegbar sind.
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Das Anordnen mehrerer beweglicher Formwandbereiche, die unabhängig voneinander bewegbar sind, ermöglicht die Herstellung komplexer, über die Länge variierender Querschnitte eines Faserverbundwerkstoff-Körpers. Die Formöffnung kann dabei vorzugsweise jede beliebige Geometrie annehmen.
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In Abhängigkeit zueinander bewegbare Formwandbereiche bieten den Vorteil einer gleichmäßigen Querschnittsänderung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers. Die mehreren bewegbaren Formwandbereiche können derart umfangsmäßig auf der Formöffnung angeordnet sein, dass eine gleichmäßige Änderung der Geometrie der Formöffnung möglich ist. Bei einer kreisförmigen Geometrie der Formöffnung ist es durch eine solche umfangsmäßige Anordnung der bewegbaren Formwandbereiche möglich, die Geometrie der Formöffnung gleichmäßig, nach dem Prinzip einer Iris, zu ändern. Auch bei rechteckigen oder weiteren beliebigen Geometrien der Formöffnung, wird eine gleichmäßige Veränderung, insbesondere eine Verkleinerung oder Vergrößerung, ermöglicht.
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Die Vorrichtung umfasst gemäß einer weiteren Ausführungsform eine in Pultrusionsrichtung stromaufwärts der Formgebungseinrichtung angeordnete Quelle für Faserstränge, eine stromabwärts der Quelle angeordnete Polymermatrix-Tränke und eine stromabwärts der Formgebungseinrichtung angeordnete Zieheinrichtung zum Ziehen des Faserverbundmaterials von der Quelle durch die Formgebungseinrichtung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Zieheinrichtung derart in einem Winkel zur Pultrusionsrichtung angeordnet, dass der Faserverbundwerkstoff-Körper eine Krümmung aufweist. Eine winkelmäßige Anordnung der Zieheinrichtung relativ zu der Pultrusionsrichtung, der Richtung, in welcher der Faserverbundwerkstoff-Körper durch die Formgebungseinrichtung durchläuft, ermöglicht die Herstellung von Faserverbundwerkstoff-Körpern mit einer bestimmten Krümmung, die dem Winkel der Zieheinrichtung zur Pultrusionsrichtung entspricht.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers in einem kontinuierlichen Verfahren, insbesondere ein Pultrusionsverfahren. Das Verfahren umfasst wenigstens die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer voran beschriebenen Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers;
Ziehen eines Faserverbundwerkstoff-Körpers in einer Pultrusionsrichtung durch die Formöffnung der Formgebungseinrichtung, wobei die Geometrie der Formöffnung die Querschnittsgeometrie des Faserverbundwerkstoff-Körpers beim Austritt aus der Formgebungseinrichtung bestimmt;
Verändern der Geometrie der Formöffnung der Formgebungseinrichtung durch Bewegen des mindestens einen bewegbaren Formwandbereichs, der in mindestens einer schräg zur Pultrusionsrichtung angeordneten Führungsaussparung angeordnet ist, wobei die Querschnittsgeometrie des Faserverbundwerkstoff-Körpers verändert wird.
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Ein solches Verfahren verwirklicht die voran mit Bezug auf die Vorrichtung beschriebenen Vorteile und sämtliche mit Bezug auf die Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen und damit verbundenen Vorteile treffen in verfahrensmäßiger Entsprechung auch für das Herstellungsverfahren eines Faserverbundwerkstoff-Körpers zu.
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In einer Ausführungsform umfasst das Bewegen des mindestens einen bewegbaren Formwandbereichs das Bewegen des mindestens einen bewegbaren Formwandbereichs in eine erste Position, wobei die Querschnittsgeometrie des Faserverbundwerkstoff-Körpers beim Verlassen der Formöffnung eine erste Gestalt aufweist.
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Das Verfahren umfasst ferner in einer weiteren Ausführungsform das Bewegen des mindestens einen bewegbaren Formwandbereichs in eine zweite Position wobei die Querschnittsgeometrie des Faserverbundwerkstoff-Körpers beim Verlassen der Formöffnung eine zweite Gestalt aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine bewegbare Formwandbereich mehrere bewegbare Formwandbereiche, wobei das Verfahren des Weiteren das Bewegen von mindestens zwei der Mehrzahl von Formwandbereichen unabhängig voneinander oder in Abhängigkeit zueinander umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren das Beheizen des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs der Formgebungseinrichtung.
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Die Temperatur des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs der Formgebungseinrichtung wird ferner nach einer weiteren Ausführungsform derart eingestellt, dass der Faserverbundwerkstoff-Körper in dem ersten Bereich verformbar ist und in dem zweiten Bereich ausgehärtet ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Formgebungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Formgebungseinrichtung gemäß 2 entlang der in 2 gezeigten Schnittkante.
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4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Formgebungseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung.
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5 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Formgebungseinrichtung gemäß 4 entlang der in 4 gezeigten Schnittkante.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers 22 gezeigt. Die Vorrichtung 10 umfasst in der mit einem Pfeil gekennzeichneten Pultrusionsrichtung 28 eine Quelle 12 für Faserstränge 14, eine Polymermatrix-Tränke 16, eine Formgebungseinrichtung 20, eine Zieheinrichtung 24 und eine Schneideeinrichtung 26. Die Pultrusionsrichtung 28 ist dabei die Richtung, in welcher der Faserverbundwerkstoff-Strang 18 durch die Formgebungseinrichtung gezogen wird.
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Die Quelle 12 für Faserstränge 14 umfasst in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel vier Wickelrollen, über welche die Faserstränge bereitgestellt werden. Bei den Fasersträngen 14 kann es sich um Natur- und/oder Kunstfasern handeln, wie beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern.
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In Pultrusionsrichtung 28 schließt sich an die Quelle 12 für Faserstränge 14 eine Polymermatrix-Tränke 16 an. In der Polymermatrix-Tränke 16 befindet sich ein in 1 nicht dargestellter fließfähiger Kunststoff zur Bildung der Polymermatrix. Als Kunststoff können sowohl duroplastische als auch thermoplastische Polymere, wie beispielsweise Polyesterharze, Vinylesterharze, Epoxidharze Polyamide, Polypropylene und Polyethylene verwendet werden.
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Der flüssige Kunststoff kann beispielsweise Raumtemperatur oder eine leicht erhöhte Raumtemperatur aufweisen. Die Polymermatrix-Tränke 16 in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verjüngt sich in Pultrusionsrichtung 28, wodurch die durch die Polymermatrix-Tränke 16 in Pultrusionsrichtung 28 verlaufenden Faserstränge 14 zusammengeführt werden und einen Faserverbundwerkstoff-Strang 18 ausbilden.
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In Pultrusionsrichtung 28 hinter der Polymermatrix-Tränke 16 ist eine Formgebungseinrichtung 20 angeordnet. In der Formgebungseinrichtung 20 wird der durch diese in Pultrusionsrichtung verlaufende Faserverbundwerkstoff-Strang 18 ausgehärtet und endgültig zu einem Faserverbundwerkstoff-Körper 22 geformt, sodass beim Verlassen der Formgebungseinrichtung 20, der Faserverbundwerkstoff-Körper 22 seine endgültige Querschnittsform aufweist und konsolidiert ist.
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Die Formgebungseinrichtung 20 ist detailliert in der nachstehenden Beschreibung mit Bezug auf die 2 bis 5 beschrieben.
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An die Formgebungseinrichtung schließt sich in Pultrusionsrichtung 28 eine Zieheinrichtung 24 an, welche den Faserverbundwerkstoff-Körper 22 in Pultrusionsrichtung 28 durch die vorangehenden Vorrichtungselemente zieht.
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In Pultrusionsrichtung 18 hinter der Zieheinrichtung 24 ist eine Schneideeinrichtung 26 angeordnet, die den Faserverbundwerkstoff-Körper 22 entsprechend des Bedarfs auf gewünschte Längen des Faserverbundwerkstoff-Körpers 22 zuschneidet.
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Mit der in 1 gezeigten Vorrichtung 10 ist ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers mit in Längsrichtung variierender Querschnittsgeometrie realisierbar. In Betrieb werden durch die Zieheinrichtung 24 Faserstränge 14 der Quelle 12 in Pultrusionsrichtung 28 durch die Polymermatrix-Tränke 16 und die Formgebungseinrichtung 20 gezogen.
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Die Formgebungseinrichtung 20 kann in Pultrusionsrichtung mehrere Abschnitte aufweisen, die kühlbar und/oder heizbar sind, sodass eine Aushärtung des Faserverbundwerkstoffstrangs 18 beim Durchlaufen der Formgebungseinrichtung 20 erzielt wird. Zusätzlich zur Aushärtung erhält der Faserverbundwerkstoffstrang 18 in der Formgebungseinrichtung 20 seine endgültige Querschnittsform.
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Der in der Formgebungseinrichtung 20 ausgehärtete und geformte Faserverbundwerkstoffkörper 22 durchläuft im Anschluss in Pultrusionsrichtung 28 die Zieheinrichtung 24 und die Schneideeinrichtung 26, in der er auf eine bestimmte Länge zugeschnitten wird. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers 22 ist die Zieheinrichtung 24, sowie die sich anschließende Schneideeinrichtung 26 in Pultrusionsrichtung 28 koaxial zur Formgebungseinrichtung 20 angeordnet. Ein durch eine solche Vorrichtung 10 hergestellter Faserverbundwerkstoff-Körper 22 weist keine Krümmung auf. Es ist weiterhin denkbar, die Zieheinrichtung 24 in einem beliebigen Winkel zur in 1 dargestellten Pultrusionsrichtung 28 anzuordnen, wodurch ein gebogener Faserverbundwerkstoff-Körper 22 herstellbar ist.
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In der 2 ist eine detaillierte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Formgebungseinrichtung 20 aus 1 im Längsschnitt gezeigt.
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In 3 ist eine Schnittdarstellung einer Formgebungseinrichtung 20 gemäß 2 entlang der in 2 angegebenen Schnittkante gezeigt.
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Die Formgebungseinrichtung 20 der 2 und 3 weist eine Formwand 30 auf, die in den 2 und 3 nur ausschnittsweise dargestellt ist und vorzugsweise aus einem festen temperaturresistenten Material besteht.
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Die Formwand 30 der Formgebungseinrichtung 20 weist in dem Ausführungsbeispiel aus 2 und 3 eine in Längsrichtung verlaufende durchgehende Bohrung mit einem ebenfalls in Längsrichtung durchgehenden sich radial erstreckenden Steg 38 auf, wobei die Bohrung und der Steg 38 eine Formöffnung 32 ausbilden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Geometrie der Formöffnung 32 eine Kreisform mit einem oberen radialen Steg 38 auf.
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Weiterhin zeigen die 2 und 3 eine in der Formwand 30 angeordnete Führungsaussparung 36. Die Führungsaussparung 36 verläuft in dem gezeigten Ausführungsbeispiel schräg zu der in 2 dargestellten Längsachse der Formgebungseinrichtung 20, wobei der Winkel zur Längsachse in etwa 45° beträgt. Es ist ebenfalls möglich, die Führungsaussparung 36 in beliebigen weiteren Winkeln zur Längsachse der Formgebungseinrichtung 20 anzuordnen.
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In der Führungsaussparung befindet sich ein nicht abschließend dargestellter bewegbarer Formwandbereich 34, der in seiner Geometrie der Geometrie der Führungsaussparung 36 entspricht.
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Eine Bewegung des bewegbaren Formwandbereichs 34 in der Führungsaussparung 36 führt zu einer Veränderung der Geometrie der Formöffnung 32. Wird der bewegbare Formwandbereich 34 in radial einwärtiger Richtung bewegt, verringert sich die Größe des Steges 38, der Steg 38 verschwindet vollständig und die Geometrie der Formöffnung 32 ist kreisförmig oder in der kreisförmigen Geometrie der Formöffnung 32 wird eine Nut ausgebildet.
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Wie in 3 dargestellt schließt sich in radialer Richtung nach innen an den bewegbaren Formwandbereich 34 ein Dichtelement 46 zum Abdichten der Führungsaussparung gegen das Eintreten von flüssigem Kunststoff an. Bei dem in 3 nicht detailliert dargestellten Dichtelement 46 kann es sich beispielsweise um eine mechanische Passung handeln, die gleichzeitig eine Führung des bewegbaren Formwandbereichs 34 in der Führungsaussparung 36 realisiert.
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In dem in 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich der bewegbare Formwandbereich 34 in einer radial nach außen bewegten Position, in der der Steg 38 freigegeben wird.
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Weiterhin weist die Formgebungseinrichtung 20 in Pultrusionsrichtung 28 einen Einzugsbereich 40, einen ersten Bereich 42 und einen zweiten Bereich 44 auf. Die Bereiche 40, 42, 44 sind in der schematischen Darstellung in 2 durch die gepunktet dargestellten Linien begrenzt.
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Die Führungsaussparung 36 mit dem bewegbaren Formwandbereich 34 ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel am in Pultrusionsrichtung 28 hinteren Ende des ersten Bereichs 42 und vor dem zweiten Bereich 44 angeordnet.
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Während des mit Bezug auf 1 beschriebenen Pultrusionsverfahrens zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers 22 wird der Faserverbundwerkstoff-Strang 18 in Pultrusionsrichtung 28 durch die Formgebungseinrichtung 20 gezogen. Der Einzugsbereich 40 der Formgebungseinrichtung 20 ist konisch ausgeformt, sodass der Einzug des Faserverbundwerkstoff-Strangs 18 erleichtert wird. Der Faserverbundwerkstoff-Strang 18 wird beim Durchlaufen der Formgebungseinrichtung 20 von der Formwand 30 und dem bewegbaren Formwandbereich 34 umschlossen und nimmt im Querschnitt die Geometrie der Formöffnung 32 an.
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Der erste Bereich 42 und der zweite Bereich 44 der Formgebungseinrichtung 20 sind beheizbar. Beim Durchlaufen des Faserverbundwerkstoff-Strangs 18 durch die Formgebungseinrichtung 20 wird der Faserverbundwerkstoff-Strang 18 erhitzt, sodass eine Aushärtung des Faserverbundwerkstoffs stattfindet. Beim Durchlaufen des ersten Bereichs 42 befindet sich der Faserverbundwerkstoff-Strang 18 vorzugsweise in einem verformbaren Zustand und die vollständige Aushärtung des Faserverbundwerkstoff-Strangs 18 findet innerhalb des zweiten Bereichs 44 statt.
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Durch die Anordnung der Führungsaussparung 36 mit dem bewegbaren Formwandbereich 34 am Ende des ersten Bereichs 42 wird sichergestellt, dass die Formgebung des Faserverbundwerkstoff-Strangs 18 erfolgt, solange der Faserverbundwerkstoff-Strang 18 noch verformbar ist. Der bewegbare Formwandbereich 34 ist vorzugsweise nahe des oder unmittelbar an dem Übergang des Faserverbundwerkstoff-Strangs 18 von dem verformbaren zu dem ausgehärteten, festen Zustand angeordnet. Somit wird eine Verformung des Faserverbundwerkstoff-Körpers 22 nach dem Passieren der Formöffnung 32 verhindert.
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Während des Pultrusionsverfahrens kann der bewegbare Formwandbereich 34 beliebig entlang der Führungsaussparung 36 bewegt werden, sodass mit dem Ausführungsbeispiel der Formgebungseinrichtung 20 ein Faserverbundwerkstoff-Körper 22 herstellbar ist, der ein über die Länge in Pultrusionsrichtung 28 variierendes Querschnittsprofil aufweist.
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Ein durch die Formgebungseinrichtung 20 geformter Faserverbundwerkstoff-Körper 22 weist eine kreisförmige Querschnittsgeometrie auf, auf der ein in der Höhe variabler Steg und/oder eine in der Tiefe variable Nut abgeformt wird.
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In der 4 ist eine detaillierte schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Formgebungseinrichtung 48 im Längsschnitt gezeigt.
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5 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Formgebungseinrichtung gemäß 4 entlang der in 4 gezeigten Schnittkante.
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Die 4 und 5 zeigen eine Formgebungseinrichtung 48 mit einer Formwand 50, einer Formöffnung 52 und einem bewegbaren Formwandbereich 54 in einer Führungsaussparung 56, wobei die Anordnung der voran genannten Elemente derjenigen aus den 2 und 3 entspricht.
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Die Formöffnung 52 des in 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiels der Formgebungseinrichtung weist eine rechteckige Geometrie auf.
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Weiterhin zeigen die 4 und 5 zusätzlich einen zweiten bewegbaren Formwandbereich 68 in einer zweiten Führungsaussparung 72. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Führungsaussparung 72 zur horizontalen Achse gegenüberliegend der ersten Führungsaussparung 56 in der Formwand 50 angeordnet.
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In 4 und 5 ist der erste bewegbare Formwandbereich 54 derart in der ersten Führungsaussparung 56 angeordnet, dass seine Unterkante bündig mit der Formwand an die Formöffnung 52 abschließt. Der zweite bewegbare Formwandbereich 68 ist in einer radial nach außen bewegten Position derart in der zweiten Führungsaussparung 72 angeordnet, dass seine Unterkante an einen zweiten Steg 70 anschließt, so dass die Geometrie der Formöffnung 52 im Wesentlichen rechteckig ist, wobei auf der unteren Seite ein Steg 70 ausgebildet ist.
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Ein in einem Pultrusionsverfahren durch die Formgebungseinrichtung 48 geformter Faserverbundwerkstoff-Körper 22 weist eine rechteckige Querschnittsgeometrie auf, auf der auf gegenüberliegenden Seiten ein in der Höhe variabler erster Steg 58 und ein in der Höhe variabler zweiter Steg 70 und/oder eine in der Tiefe variable erste Nut und eine in der Tiefe variable zweite Nut abgeformt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoff-Körpers
- 12
- Quelle für Faserstränge
- 14
- Faserstrang
- 16
- Polymermatrix-Tränke
- 18
- Faserverbundwerkstoff-Strang
- 20
- Formgebungseinrichtung
- 22
- Faserverbundwerkstoff-Körper
- 24
- Zieheinrichtung
- 26
- Schneideeinrichtung
- 28
- Pultrusionsrichtung
- 30
- Formwand
- 32
- Formöffnung
- 34
- bewegbarer Formwandbereich
- 36
- Führungsaussparung
- 38
- Steg/Vorsprung
- 40
- Einzugsbereich
- 42
- erster Bereich
- 44
- zweiter Bereich
- 46
- Dichtelement
- 48
- Formgebungseinrichtung
- 50
- Formwand
- 52
- Formöffnung
- 54
- erster bewegbarer Formwandbereich
- 56
- erste Führungsaussparung
- 58
- erster Steg
- 60
- Einzugsbereich
- 62
- erster Bereich
- 64
- zweiter Bereich
- 66
- Dichtelement
- 68
- zweiter bewegbarer Formwandbereich
- 70
- zweiter Steg
- 72
- zweite Führungsaussparung
