DE102015119700A1

DE102015119700A1 - Verfahren zur Konditionierung der Oberflächen pultrudierter und/oder anderweitig durch Harze oder Kleber zusammengefasster Carbonfasern zu Carbonfaserprofilen oder Carbonfaserflächen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102015119700A1
Application number: DE102015119700.6A
Authority: DE
Inventors: Joachim Müller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2015-11-14
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Konditionierung der Oberflächen pultrudierter und/oder anderweitig durch Harze oder Kleber zusammengefasster Carbonfasern zu Carbonfaserprofilen oder Carbonfaserflächen und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wobei eine raue oder feinstrukturierte und damit große Oberfläche erreicht wird, ohne dabei die innere Struktur des Carbonfaserprofiles zu beeinflussen. Beim Verfahren zur Konditionierung der Oberflächen pultrudierter und/oder anderweitig durch Harze (1) oder Kleber (1) zusammengefasster Carbonfasern (2) zu Carbonfaserprofilen (3) oder Carbonfaserflächen (3) wird zumindest vor Beendigung/Abschluss der thermischen Härtung (4) und/oder Lichthärtung (4) vor dem Erreichen der vollständigen thermischen Härtung (4) und/oder Lichthärtung (4) eine Beschichtung der Oberfläche mit einem körnigen und/oder gerundeten oder faserartigen und/oder stiftartigen Beschichtungsmaterial (5) vorgenommen. Bei der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist nach zumindest einem ersten Bereich der Härtung (4) zumindest ein Beschichtungsbereich (5) angeordnet oder dass sich der Beschichtungsbereich (5) und der Bereich der Härtung (4) zumindest bereichsweise überlappen.

Description

Verfahren zur Konditionierung der Oberflächen pultrudierter und/oder anderweitig durch Harze oder Kleber zusammengefasster Carbonfasern zu Carbonfaserprofilen oder Carbonfaserflächen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens insbesondere für den Einsatz als Armierung in Bauteilen oder zur Oberflächenvergütung an Bauteilen an See-, Land- und Luftfahrzeugen.
Derzeit ist es üblich Betonbauteile nach Vorgaben mit Stahl zu verstärken. Dabei erfüllt der Stahl die Aufgabe Zugkräfte im Bauteil aufzunehmen. Um eine akzeptable Verbindung des Stahles mit dem umgebenden Beton herzustellen, ist der Stahl in der Regel mit geriffelter Oberfläche ausgeführt. Des Weiteren ist es erforderlich, den im Beton eingebundenen Stahl zum Schutz vor Korrosion mit einer definierten Schicht Beton zu bedecken. Das ist mit den bekannten Nachteilen verbunden.
Ebenso unterliegt der Einsatz von Metall im Schiffsbau, Fahrzeugbau oder Flugzeugbau den Druck, leichte und zugleich wiederstandsfähige Ersatzwerkstoffe zu schaffen, welche neben den positiven Eigenschaften des Metalls weitere positive Eigenschaften der Carbonfassern in einem Verbund besitzen.
Auf Grund der spezifischen Eigenschaften von Carbonfasern ist es hingegen sinnvoll sie als Bewehrungselement, quasi als Stahlsubstitution, einzusetzen. Carbonfasern besitzen eine höhere Zugfestigkeit bei gleichzeitig geringerem Gewicht. Eine besonders wichtige Eigenschaft zeichnet Carbonfasern aus. Im Gegensatz zum Stahl korrodiert Carbonfaser nicht und ist alkalisch unempfindlich. Risse des Umgebungsmaterials bleiben folgenlos. Besonders diese Eigenschaft eröffnet hervorragende Anwendungen im konstruktiven Ingenieurbau. Das Herstellungsverfahren pultrudierter Fasern oder Faserverbünde verschiedenster Geometrien ist hinlänglich bekannt. Es werden Fasern, für anspruchsvolle Anwendungen, Carbonfasern, gebündelt oder geometrisch geordnet, in Harz, meist Resin, eingebettet. Die entstehenden Oberflächen der Bauteile sind durch das geübte Verfahren extrem glatt. Eine solche Oberfläche ist in der Regel erwünscht, oft zwingend erforderlich. So werden für die praktische Anwendung mehrere Einzelfasern zu Bündeln zusammengefügt. Eines der Herstellungsverfahren wird Pultrusion oder spezielles Strangziehen bezeichnet. Die einzelnen Carbonfasern werden bei diesem Vorgang in definierten Geometrien gebündelt oder auch flächig geordnet und in Harz oder Kleber eingebettet. Im Herstellungsprozess entstehen sehr glatte äußere Oberflächen. Diese Oberflächenqualität ist erwünscht, soll doch in den verschiedenen Belastungssituationen Risse von der Oberfläche ausgehend, vermieden werden. Die Oberflächen von Carbonfaser, wie auch Glasfasern sowie aus diesen Materialien pultrudierten Profilen sind sehr glatt. Eine Benetzung mit Wasser und/oder wasserhaltigen und in Wasser gelösten Materialien ist äußerst schwer. Die hohe Oberflächenspannung des Wassers, auch in Lösung, steht einem innigen Verbund entgegen. Neben dem Pultrusionsprozess werden beispielsweise auch Bauteile im Laminierverfahren hergestellt. Ebenso werden Bauteile gewickelt und in Harz eingehüllt. Diese sehr glatten Oberflächen sind als Armierung und für eine Verbindung mit dem Zementleim des Betons nicht optimal. Eine unmittelbare Verwendung von Carbonfaserprofilen oder Carbonfaserflächen ist nicht möglich, da eine akzeptable Verbindung des Carbonfaserprofiles mit dem umgebenden Beton nicht möglich ist.
So werden z. B. in den Schriften DE 10 201 018 422 A1 und DE 10 2011 100 546 B4 Flechtpultrusionsverfahren beschrieben. Eine Beeinflussung der Oberflächenstrukturen ist hier jedoch nicht vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Konditionierung der Oberflächen pultrudierter und/oder anderweitig durch Harze oder Kleber zusammengefasster Carbonfasern zu Carbonfaserprofilen oder Carbonfaserflächen und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wobei eine raue oder feinstrukturierte und damit große Oberfläche erreicht wird, ohne dabei die innere Struktur des Carbonfaserprofiles zu beeinflussen, welche sowohl als Baustoff als auch an Bauteilen für den Einsatz im Schiffsbau, Fahrzeugbau oder Flugzeugbau geeignet ist.
Mit der Erfindung wird im angegebenen Anwendungsfall erreicht, dass Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Konditionierung der Oberflächen pultrudierter und/oder anderweitig durch Harze oder Kleber zusammengefasster Carbonfasern zu Carbonfaserprofilen oder Carbonfaserflächen geschaffen wird, wobei die Carbonfasern in einem an sich bekannten Verfahren zu einem kontinuierlichem Strang gebündelt und/oder geometrisch geordnet, und in Harz oder Kleber eingebettet werden und dass eine thermische Härtung und/oder eine Lichthärtung in zunächst einem ersten Bereich der Härtung angeregt wird, jedoch rechtzeitig vor dem Abschluss der thermischen Härtung und/oder Lichthärtung bzw. vor dem Erreichen der vollständigen oder einer kritischen thermischen Härtung und/oder Lichthärtung eine Beschichtung der Oberfläche mit einem körnigen und/oder gerundeten oder haarartigen, faserartigen, stiftartigen, stabförmigen und/oder nadelförmigen Beschichtungsmaterial in einem Beschichtungsbereich erfolgt. Hierdurch entsteht durch die Beschichtung eine vergrößerte Oberfläche. Ziel ist es, den Faserstrang oder die Faseranordnung mit geeigneten Stoffen so zu beschichten, dass ein inniger und möglichst harmonischer Verbund mit umgebendem Material erreicht wird. Ja nach Durchführung und Art des Herstellungsprozesses hat das Harz des die Anlage verlassenden Stranges in der Regel noch nicht die Endfestigkeit erreicht. Durch gezielte Beeinflussung des Prozesses oder Auswahl der Komponenten kann die Oberfläche des die Anlage verlassenden Stranges einige Zeit „klebrig“ gehalten werden und die Konditionierung erfolgen. Dabei wird auf den Carbonfasern bzw. Carbonfaserprofilen oder Carbonsfaserflächen die Unversehrtheit der Oberfläche nicht gefährdet, da die Beschichtung als gerundete, kugelartige Partikel, Körner, Granulat, Stäbchen, Röhrchen, Nadeln, Faserabschnitte oder ähnlichem minimal haftend auf die Oberfläche aufgebracht wird. Der Vorteil dieser Beschichtung eines Carbonfaserprofiles oder einer Carbonfaserfläche besteht darin, dass durch die Beschichtung eine ausreichend raue und zudem vergrößerte Oberfläche entsteht. Diese raue und zudem vergrößerte Oberfläche bildet aufgrund der körnigen bzw. gerundeten Beschichtungsmaterialien Hohlräume aus, in welche durch die Kapillarität Wasser und vor allem im Wasser gelöste oder gebundene Bestandteile eindringen können. Je nach Bestandteil härten diese gegebenenfalls aus und bilden dadurch bzw. direkt mit der Beschichtung einen form- und kraftschlüssigen Verbund. Diese rauhe oder feinstrukturierte und damit große Oberfläche eignet sich besser für einen intensiven form- und kraftschlüssigen Verbund. Sinngemäß gilt das für alle Arten der Einbindung nach diesem Verfahren beschichteten Carbonfaserprofilen oder Carbonfaserfläche in verschiedene Materialien.
Zudem bieten diese Oberflächen den Vorteil, dass sich zwischen und an den körnigen Strukturen der Oberflächen „stehende“ Mikrowasserwirbel bilden, welche ähnlich einer schuppigen Fischhaut Wasser mit Wasser „schmieren“ und somit die Reibung enorm reduzieren.
Der Vorteil stabförmigen, haarartigen, stiftartigen, faserartigen und/oder nadelförmigen Beschichtungsmaterials liegt darin, dass diese unter einem äußeren Einfluss auf der Oberfläche ausrichtbar sind, wodurch sich je nach eingesetztem Beschichtungsmaterial besondere individuelle Effekte hinsichtlich der Reibung, der Haftung und der Kraftverteilung ergeben
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Temperatursensoranordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 und des Verfahrens in den Ansprüchen 9 bis 13 dargestellt.
Das Verfahren erfährt eine vorteilhafte Weiterbildung, indem die thermische Härtung und/oder die Lichthärtung während der Beschichtung fortgesetzt wird und/oder das die thermische Härtung und/oder die Lichthärtung für die Beschichtung unterbrochen und nach der Beschichtung fortgesetzt wird. Hierdurch wird erreicht, dass die Härtung des Harzes nach der Beschichtung schnell erfolgt bzw. abgeschlossen wird, um die Haftung der Beschichtung und die Stabilität der jeweiligen Carbonfaserprofile oder Carbonfaserflächen zu sichern. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Beschichtung prozessbedingt nicht während der Härtung erfolgen kann. Hierfür wird die Härtung gezielt unterbrochen und nach der Beschichtung wieder fortgesetzt.
Vorteilhaft ist im Verfahren vorgesehen, dass die Beschichtung während der thermischen Härtung und/oder der Lichthärtung erfolgt und/oder nach der thermischen Härtung und/oder der Lichthärtung fortgesetzt wird, so dass die beiden Prozesse simultan und parallel erfolgen, wobei die Beschichtung während des Härtungsprozesses einsetzt und beispielsweise nach rechtzeitiger Abschaltung des Härtungsprozesses weiter läuft. Je nach Harz, Kleber und Beschichtungsmaterial werden zuverlässige und optimale Beschichtungen erreicht, welche die gewünschte Stabilität und Festigkeit besitzen. Durch die zum Herstellungsablauf und Härten simultane Beschichtung wird zudem eine Prozessoptimierung erreicht, da die Prozesse nicht sequenziell ablaufen sondern sich zumindest überlappen.
Indem im Verfahren vorteilhaft das Beschichtungsmaterial vorgewärmt und/oder elektrostatisch aufgeladen wird, wird der, gegebenenfalls unterbrochene Härtungsprozess bereits beim Auftreffen des Beschichtungsmaterials erneut angeregt, fortgesetzt bzw. beschleunigt. Damit wird bei noch besonders weichen bzw. klebrigen Harz oder Kleber die Haftung des Beschichtungsmaterials begünstigt und die stabile Struktur der Carbonfaserprofile oder Carbonsfaserflächen nach der Beschichtung begünstigt. Zudem ist eine Ausrichtung der jeweiligen Beschichtungsmaterialien möglich, wodurch sich zusätzliche positive Effekte und Kräfteverhältnisse durch die, mit der und an der neu gebildeten Oberflächenstruktur ergeben.
Indem im Verfahren das Beschichtungsmaterial beispielsweise vorteilhaft aus Metall, Glas und/oder Feinstsand oder einem anderem geeigneten Material besteht, lassen sich unterschiedliche Beschichtungen für unterschiedliche Anwendungsfälle herstellen. Somit können die beschichteten Carbonfaserprofile oder Carbonfaserflächen mit verschiedenen, entsprechend geeigneten Materialen kombiniert oder in diesen entsprechend als Armierung eingesetzt werden. Ungünstige Wechselwirkungen lassen sich somit ausschließen.
Indem bei dem Verfahren vorteilhaft das Beschichtungsmaterial mit einem Harz oder Kleber auf die Oberfläche aufgebracht wird, lassen sich die positive Effekte der Wechselwirkungen zwischen dem noch nicht vollständig ausgehärteten Harz oder Kleber der Carbonfaserprofile oder Carbonfaserflächen und dem Harz oder Kleber des Beschichtungsmaterials ausnutzen. Mit diesem zusätzlichen Harz oder Kleber im Beschichtungsmaterial besteht die Möglichkeit, dass dieses sich mit dem Harz oder Kleber der Carbonfaserprofile oder Carbonfaserflächen teilweise vermischt bzw. mit diesem polymerisiert und somit eine einheitliche Vernetzung erreicht wird, so dass das körnige bzw. gerundeten Beschichtungsmaterial eine stabile Bindung mit den Carbonfaserprofilen oder Carbonfaserflächen eingeht. Zudem ist das Harz oder der Kleber mit oder ohne Zusätze in Form von Carbonfasern, Glasfasern, Kunststofffasern, Naturfasern oder Metalldrähten versehen, wodurch die innere Stabilität und Festigkeit des Harzes oder des Kleber für die Beschichtung auf dem und in Verbindung mit dem Harz oder Kleber des Carbonfaserprofils oder der Carbolfaserfläche erhöht wird. Je nach Art des Zusatzes und unter dem Einfluss eines beispielsweise elektrischen Feldes, ist zudem das Ausrichten der Zusätze und des aufzutragenden Beschichtungsmaterials entlang der jeweiligen Oberfläche oder winklig zu ihr möglich.
Indem im Verfahren das Beschichtungsmaterial vorteilhaft aufgeblasen, verwirbelt, aufgeschüttet, aufgesprüht oder aufgewalzt wird und/oder dass der Strang durch ein Beschichtungsmaterialreservoir gewissermaßen als körniges Beschichtungsbad geführt wird, wird erreicht, dass sich das Beschichtungsmaterial zuverlässig an dem noch nicht vollständig gehärtetem Harz anhaftet, ohne jedoch die innere Struktur der Carbonfaserprofile oder Carbonfaserflächen zu beeinflussen.
Vorteilhaft ist bei der Anordnung der Beschichtungsbereich in einer Beschichtungsvorrichtung angeordnet, wobei die Beschichtungsvorrichtung ein Beschichtungsmaterial enthält. Hierdurch ist es möglich, dass die Beschichtung für sich unabhängig angesteuert und dosiert wird.
Vorteilhaft ist bei der Anordnung nach dem zumindest ersten Beschichtungsbereich zumindest ein weiterer Bereich der Härtung vorhanden ist. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Härtung nach der Beschichtung weitergeführt werden kann und dass die Härtung ausreichend und zuverlässig erfolgt.
Vorteilhaft sind bei der Anordnung der Beschichtungsbereich und der Bereich der Härtung zumindest bereichsweise überlappt, wodurch die beiden Herstellungsschritte zumindest teilweise bzw. bereichsweise zeitgleich parallel erfolgen. Hierdurch wird eine Verzögerung in der Herstellung weitestgehend ausgeglichen bzw. vermieden. Zudem erfolgt die Beschichtung während der Härtung, wodurch das Beschichtungsmaterial unmittelbar an der Härtung beteiligt wird.
Indem bei der Anordnung die Beschichtungsvorrichtung vorteilhaft eine Wirbelkammer, eine Sprühvorrichtung, eine Walzvorrichtung und/oder ein Reservoir umfasst, wird erreicht, dass die Beschichtung zuverlässig erfolgen kann. Zudem lässt sich dadurch erreichen, dass die Beschichtung bedarfsgerecht und schonend auf die Oberfläche gebracht werden kann.
Vorteilhaft umgibt der Beschichtungsbereich bei der Anordnung den Strang oder die Fläche zumindest teilweise oder vollständig in Umfangsrichtung. Hierdurch wird erreicht, dass die Beschichtung vollständig und so homogen als möglich erfolgen kann. Gezielte Beschichtungen lassen sich somit erreichen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 zeigt eine zum Stand der Technik gehörenden Pultrusionsanlage in schematischer Darstellung,
2 zeigt eine Verfahrensvariante in schematischer Darstellung
mit einer dem Härtungsbereich nachgeordneten Beschichtung einer Strangoberfläche,
3 zeigt eine Verfahrensvariante in schematischer Darstellung mit einer zwischen einem ersten und einen nachgelagerten Härtungsbereich nachgeordneten Beschichtung einer Strangoberfläche,
4a und 4b zeigen eine Detaildarstellung eines erfindungsgemäß beschichteten Stranges,
5 zeigt eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß beschichteten Stranges,
6 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäß beschichtete Oberfläche eines Stranges als Bewehrung in Beton und zwischen den Körnern der Beschichtung eingesogenem Zementleim,
7 zeigt eine Verfahrensvariante in schematischer Darstellung mit einer dem Härtungsbereich nachgeordneten Beschichtung einer Strangoberfläche mittels aus Düsen austretender Beschichtungsmaterialien,
8 zeigt eine Verfahrensvariante in schematischer Darstellung mit einer teilweise in den Härtungsbereich integrierter Beschichtung einer Strangoberfläche,
9 zeigt eine Verfahrensvariante der Beschichtung in schematischer Darstellung für unregelmäßig oder flächig geformte Bauteile in einer beheizten Wirbelkammer am Beginn des Beschichtungsvorganges,
10 zeigt eine Verfahrensvariante der Beschichtung in schematischer Darstellung für unregelmäßig oder flächig geformte Bauteile in einer beheizten Wirbelkammer nach erfolgter Beschichtung eines Bauteiles und
11 zeigt eine schematische Darstellung des Verlaufes von elektromagnetischer Strahlung an/in der Beschichtung der Oberfläche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Konditionierung der Oberflächen pultrudierter und/oder anderweitig durch Harze 1 oder Kleber 1 zusammengefasster Carbonfasern 2 zu Carbonfaserprofilen 3 oder Carbonfaserflächen 3, werden die Carbonfasern 2 in einem an sich bekannte Verfahren zu einem kontinuierlichem Strang gebündelt und/oder geometrisch geordnet und in einem Harz 1 oder Kleber 1 eingebettet. Danach erfolgt eine thermische Härtung 4 und/oder eine Lichthärtung 4. Diese Härtung 4 wird jedoch nicht vollständig durchgeführt. Dadurch erreicht das Harz 1 oder der Kleber 1 der Carbonfaserprofilen 3 oder Carbonfaserflächen 3 noch nicht die Endfestigkeit. Je nach Variation und Anpassung des Härtungsprozesses besitzt bei Einsetzen der Beschichtung 5 das Harz 1 oder der Kleber 1 eine Restklebrigkeit, so dass vor dem Abschluss der thermischen Härtung 4 und/oder Lichthärtung 4 bzw. vor dem Erreichen der vollständigen thermischen Härtung 4 und/oder Lichthärtung 4 die Beschichtung 5 der Oberfläche mit einem körnigen und/oder gerundeten Beschichtungsmaterial 5 erfolgt und die Haftung des Beschichtungsmaterials 5 am und/oder im Harz 1 oder Kleber 1 gewährleistet ist. Dieses Beschichtungsmaterial 5 besteht beispielsweise aus Metall, Glas oder Feinstsand, wobei durch die gerundete äußere Form eine weitestgehend homogene Oberflächenstruktur des Beschichtungsmaterials 5 vorliegt und somit eine optimale Haftung ermöglicht. Das jeweilige Beschichtungsmaterial 5 besitzt dabei eine Korngröße von wenigen Mikrometern. Zur Sicherstellung optimaler Festigkeiten und zur Gewährleistung der erforderlichen Stabilität des Verbundes der Beschichtung 5 und der Carbonfaserprofile 3 oder Carbonfaserflächen 3, wird bei deren Herstellung das eingesetzte Harz 1 oder der Kleber 1 individuell dergestalt angepasst, dass einerseits die Menge des Harzes 1 oder des Klebers 1 so gering als möglich gehalten wird und anderseits im Bedarfsfalle dem Harz 1 oder Kleber 1 Zusätze wie Fasern aus unterschiedlichem Material wie Metallfasern, Gesteinsfasern, Textilfasern, Naturstoffen, aus Glas bzw. aus Carbon, beigemengt werden. Hierdurch wird erreicht, dass eine gegebenenfalls bestehende Schwachstelle des Verbundes, nämlich herstellungsbedingt das Harz 1 oder der Kleber 1 der Carbonfaserprofile 3 oder Carbonfaserflächen 3 hinsichtlich der auftretende Kräfte durch die genannten Zusätze ausgeglichen bzw. beseitigt wird. Zudem wird, wie in 4a dargestellt, der Abstand zwischen den Carbonfasern 2 und der Beschichtung 5 minimiert, wodurch ein größerer Betrag der maximal zulässigen Scherkräfte erlaubt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die thermische Härtung 4 und/oder die Lichthärtung 4 für die Beschichtung 5 unterbrochen. Ist die Beschichtung 5 entsprechend einer individuellen Anforderung vollständig erfolgt, wird die Härtung 4 nach der Beschichtung 5 fortgesetzt, so dass die unterbrochene Härtung 4 vervollständigt wird.
Vorgesehen ist einem weiteren Ausführungsbeispiel, dass die thermische Härtung 4 und/oder die Lichthärtung 4 während der Beschichtung 5 fortgesetzt wird, so dass die Härtung 4 nicht unterbrochen zu werden braucht, wobei die Beschichtung 5 vor dem Erreichen der vollständigen thermischen Härtung 4 und/oder Lichthärtung 4 abgeschlossen ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens sieht vor, dass die Beschichtung 5 simultan während der Härtung 4 erfolgt, jedoch nach einer Beendigung der Härtung 4 weitergeführt wird. Dabei erfolgt die Härtung 4 jedoch nicht vollständig, so dass die Beschichtung 5 auch nach dem Härteprozess erfolgen kann.
Die Beschichtung 5 wird begünstigt, indem das Beschichtungsmaterial 5 vorgewärmt wird. Insbesondere wenn die Beschichtung 5 über den Härtungsprozess hinaus fortgesetzt wird, lässt sich dieser indirekt und verzögert weiterführen.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Beschichtungsmaterialien 5 mit einem Harz 1 oder Kleber 1 gebunden auf die Carbonfaserprofile 3 oder Carbonfaserflächen 3 aufgebracht werden. Da die Aushärtung der Harze 1 oder Kleber 1 der Carbonfaserprofile 3 oder Carbonfaserflächen 3 noch nicht vollständig erfolgt ist, wird der Beschichtungsbeginn mit dem Zeitpunkt der Härtung 4 synchronisiert, damit das Harz 1 oder der Kleber 1 der herzustellenden Carbonfaserprofile 3 oder Carbonfaserflächen 3 einen solchen Härtungsgrad besitzen, bei welchem eine Bindung mit dem jeweiligen Harz 1 oder Kleber 1 der Beschichtung 5 noch möglich und eine zumindest im Bereich der Grenzfläche eine homogene Vernetzung bzw. Polymerisation erfolgen kann. Damit wird neben den Beschichtungsmaterialien 5 auch ein zusätzlicher Binder eingebracht, welcher eine kraftschlüssige Verbindung der Beschichtung zum Carbonfaserprofil 3 oder zur Carbonfaserfläche 3 ermöglicht.
Während bzw. für die Beschichtung 5 wird das Beschichtungsmaterial 5 aufgeblasen, verwirbelt, aufgeschüttet, aufgesprüht oder aufgewalzt. Hierbei wird jedoch berücksichtigt, dass der für die Beschichtung 5 notwendige Krafteintrag insbesondere nicht die Struktur der Carbonfasern 2 in den Carbonfaserprofilen 3 oder Carbonfaserflächen 3 beeinflusst. Es ist jedoch auch vorgesehen, dass der jeweilige Strang des Carbonfaserprofils 3 oder die jeweilige Carbonfaserfläche 3 durch ein Beschichtungsmaterialreservoir 6 geführt wird, in welchem das Beschichtungsmaterial 5 als lose Schüttung vorgehalten wird und bei der beispielsweise gerichteten Bewegung durch das Beschichtungsmaterial 5 an der noch restklebrigen Oberfläche haften bleibt.
Ein konkretes Ausführungsbeispiel des Verfahren erzeugt je nach Auslegung der Anlage und verwendeter Einsatzstoffe vergrößerte Oberflächen auf den pultrudierten Carbonfasern 2, ohne dabei die Unversehrtheit der Oberfläche zu gefährden. Dabei wird der Faserstrang mit geeigneten Stoffen so beschichtet, so dass ein inniger und möglichst harmonischer Verbund mit umgebendem Material erreicht wird. Bei der geübten Art des Pultrusionsprozesses hat das Harz 1 des die Anlage verlassenden Stranges in der Regel noch nicht die Endfestigkeit erreicht. Durch gezielte Beeinflussung des Prozesses oder Auswahl der Komponenten kann die Oberfläche des die Anlage verlassenden Stranges einige Zeit „klebrig“ gehalten werden. Als Beschichtung ist Material in Güte, Größe und Preis so zu wählen, die eine industrielle Nutzung des Verfahrens ermöglicht. Bei einer Anwendung der pultrudierten Carbonfaser 2 als statisch wirksame Bewehrung in Betonbauteilen wird vorzugsweise Feinstsand als Beschichtungsmaterial verwendet. Feinstsand besteht hauptsächlich aus Quarz und ist ein Material, das in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung steht. Im herkömmlichen Baubereich kann er auf Grund seiner geringen Korngröße in der Regel nicht verwendet werden. Diese Korngröße erweist sich bei der verfahrensgerechten Anwendung als Vorteil. Eine der Pultrusionsanlage beigeordnete oder integrierte Anlage beschichtet den aus der Pultrusionsanlage austretenden Faserstrang mit einer Schicht aus diesem Feinstsand. Deshalb ist es sinnvoll, auf wirtschaftliche Weise mit einem sicheren technologischen Verfahren unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen Materials einen sicheren Verbund herzustellen. Für einen solchen Verbund eignet sich beispielswiese Feinstsand mit einer Körnung bis 63 Mikrometern. Der Feinstsand enthält keinen Schluff. Schluff würde die für einen wirksamen Verbund wichtigen Räume zwischen den Körnern füllen. Ein Sand dieser Körnung wird derzeit in der Bauindustrie nur gering genutzt. Als Beschichtung der Mantelflächen der Strangbündel ist dieser sehr geeignet. Es können Schichten von etwa der maximalen Korngröße erzeugt werden. Das heißt beispielsweise, ein pultrudierter Strang wird vom Feinstsand wie ein Mantel umhüllt. Die Oberfläche wirkt samtartig. Zwischen den Körnern der Oberflächenbeschichtung verbleiben Spalten. Diese Spalten zwischen den Körnern erfüllen die wichtige Aufgabe durch Kapillarkräfte Wasser oder wässrige Lösungen zwischen die Körner einzusaugen. Da die Spaltbreiten naturgemäß zwischen rolligen, also runden Sandkörnern variieren, wird der Einsaugeffekt verstärkt. So werden wasserhaltige Lösungen unterschiedlicher Konsistenz sicher zwischen die Körner und auch bis an die Oberfläche der pultrudierten Carbonfasern 2 eingesaugt. Beton 7 enthält bekanntermaßen Zement. Beim Mischen des Betons 7, also dem Zusetzen von Wasser, entsteht sogenannter Zementleim. Nach dem Stand der Technik umhüllt dieser Zementleim die in bekannter Weise rauhe Stahloberflächen und sorgt so für einen Verbund. Die Umhüllung mit Feinstsand wirkt durch die Quarzkörner wie eine Panzerung gegen Abrieb und mechanische Beschädigung. Neben dem Einsatz von Feinstsand können natürlich in vorteilhafter Weise weitere Materialien in unterschiedlichen Körnungen für verschiedenste Anwendungen geeignet sein. So erhöhen beispielsweise Glas- oder Keramikperlen in geeigneter Größe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren appliziert, die Abriebfestigkeit pultrudierter Faserstränge. Auch metallische Partikel-Beschichtungen, zum Beispiel mit hochharten Metallen für spezielle Anwendungen und zum Schutz der Stränge lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellen. Für Anwendungen der Faserstränge als Schneid- und Zugseil sind Beschichtungen mit Diamantstaub vorteilhaft.
Beschichtungen aus aufbereitetem organischem Material, wie beispielsweise Knochenzellen, wobei der Carbonfaserstrang 3 als extrem leichter Knochenersatz dienen kann, sind möglich. Über den in den 1 als dargestellten Stand der Technik, sowie über die in den 2 und 3 dargestellten Methoden hinaus, ist es vorteilhaft, auch unregelmäßig geformte Bauteile durch bestäuben, anblasen oder überschütten, mit zum Beispiel Feinstsand, deren Oberflächen zu beschichten, wie beispielhaft in 9 und 10 dargestellt. Das kann je nach Verwendungszweck gänzlich oder teilweise erfolgen. Angewärmter Sand oder Heißluft befördern in der Regel das Anhaften der Körner an den Bauteiloberflächen. Ebenso eignen sich Aufschwemmungen von Sand in Klebstoffen oder flüssigem Harz 1, um Bauteile erfindungsgemäß zu beschichten.
Das aus einer Pultrusionsanlage austretende Profil, zum Beispiel als Strang, hat ein gewisses Maß an Klebrigkeit. Es ist also noch nicht voll ausgehärtet. Diese „Restklebrigkeit“ beträgt meist um die 20%. Das ermöglicht an dieser Stelle erfindungsgemäß geeignete Beschichtungen aufzutragen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist die Integration der Beschichtungsbereiches 5 in die Pultrusionsanlage, wie in 8 dargestellt. Durch eine solche Integration lassen sich die Bedingungen für eine großtechnische Produktion gut steuern. Vorteilhafterweise lässt sich der Beschichtungsbereich 5, wie in 3 dargestellt, zwischen zwei Stufen der thermischen Härtung 4 des Pultrusionsstranges anordnen. Die Fertigungsbedingungen sind derartig zu steuern, dass abgestimmt auf die verwendeten Materialien, Temperaturen und Bauteilgeometrien, das Beschichtungsmaterial 5 die Oberflächen des Pultrusionsmaterials beim Beschichtungsvorgang unversehrt lässt. Das Beschichtungsmaterial „klebt“ an der Oberfläche, zum Beispiel eines Carbonfaserstranges 3, fest. Durch den Beschichtungsvorgang werden die Bauteile größer.
Der durch die Anlage laufende Strang bewegt sich, wie in 2 dargestellt, noch mit klebriger Oberfläche durch einen mit Sand gefüllten Behälter. Bei diesem Vorgang haften die Sandkörner an der Oberfläche fest. Die Fertigungsbedingungen zur Beschichtung im Behälter sind steuerbar. Das Beschichtungsmaterial 5 kann zum besseren Anhaften angewärmt werden.
Mittels einer, wie in 8 dargestellten, Verwirbelung des Beschichtungsmateriales durch Druckluft oder Inertgas im Behälter, wird die Menge des Beschichtungsmaterials 5 je Raumeinheit in der Beschichtungsvorrichtung 6 und somit die Beschichtungsbelegung je Flächeneinheit der Strangoberfläche gesteuert. Eine weitere Steuerung der Qualität des Beschichtungsvorgangs erfolgt durch die Austrittsgeschwindigkeit des Stranges aus der Pultrusionsanlage bzw. durch die Verweildauer in der Anlage.
Eine mit Feinstsand oder adäquaten Körnern präparierte Oberfläche der Carbonfaserprofile 3 oder der Carbonfaserflächen 3 sind ideal geeignet als Außenwand von Wasserfahrzeugen, da sich zwischen und an den körnigen Strukturen der Oberflächen „stehende“ Mikrowasserwirbel bilden. Diese „schmieren“ ähnlich einer schuppigen Fischhaut Wasser mit Wasser und reduzieren somit die Reibung enorm.
Des Weiteren vermindert die erfindungsgemäß präparierte Oberfläche die Reflexion von Radarstrahlen 8, wobei zur Verstärkung und Sicherstellung eines solchen Effektes, die Berücksichtigung der Größe der jeweiligen Beschichtungsstruktur und Körnung sowie der jeweiligen Wellenlängen der jeweiligen elektromagnetischen Strahlung 8 zu berücksichtigen sind. Die zwischen die Körner, zum Beispiel durchscheinende Quarzkörner, eindringenden Radarstrahlen 8 werden innerhalb der körnig beschichteten Oberfläche kreuz und quer reflektiert und in Portionen absorbiert, bis sie ihre Energie verloren haben. Strahlen, die an den Außenflächen auftreffen werden, wie in 11 dargestellt, entsprechend der gewölbten Kornoberflächen gestreut. Nur ein extrem kleiner Teil wird zum Sender reflektiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Beschichtung der Oberfläche werden, wie in 4b dargestellt, feste oder weiche Fasern oder sehr kleine Stifte weitestgehend senkrecht auf die Oberfläche appliziert. Die senkrechte Ausrichtung der Fasern zur Oberfläche wird mittels elektrostatischer Aufladung von Fasern und Grundwerkstück erreicht. Die so entstandene Oberfläche ist samtartig oder mit einer haarigen Schmetterlingsraupe vergleichbar. Nur ein sehr kleiner Teil der Faserlänge klebt an der Oberfläche fest. Im Extremfall haftet nur die Stirnfläche einer Faser an der Oberfläche des Carbonfaserprofils 3 oder der Carbonfaserfläche 3. Dabei können die Fasern aus unterschiedlichem Material wie Metallfasern, Gesteinsfasern, Textilfasern, Naturstoffen, aus Glas bzw. aus Carbon bestehen.
In einer weiteren Anwendung wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Oberfläche mit Nanopartikeln beschichtet.
Bezugszeichenliste

1: Harz, Kleber
2: Carbonfaser
3: Carbonfaserprofil, Carbonfaserflächen, Carbonfaserstrang
4: thermische Härtung, Lichthärtung, Härtung, Bereich der Härtung
5: Beschichtungsmaterial, Beschichtung, Beschichtungsbereich
6: Beschichtungsmaterialreservoir, Beschichtungsvorrichtung
7: Beton
8: elektromagnetische Strahlung, Radarstrahlen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10201018422 A1 [0005]
DE 102011100546 B4 [0005]

Claims

Verfahren zur Konditionierung der Oberflächen pultrudierter und/oder anderweitig durch Harze (1) oder Kleber (1) zusammengefasster Carbonfasern (2) zu Carbonfaserprofilen (3) oder Carbonfaserflächen (3), wobei die Carbonfasern (2) in einem an sich bekannte Verfahren zu einem kontinuierlichem Strang gebündelt und/oder geometrisch geordnet, und in Harz (1) oder Kleber (1) eingebettet werden und dass eine thermische Härtung (4) und/oder eine Lichthärtung (4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vor Beendigung/Abschluss der thermischen Härtung (4) und/oder Lichthärtung (4) vor dem Erreichen der vollständigen thermischen Härtung (4) und/oder Lichthärtung (4) eine Beschichtung der Oberfläche mit einem körnigen und/oder gerundeten oder faserartigen und/oder stiftartigen Beschichtungsmaterial (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Härtung (4) und/oder die Lichthärtung (4) während der Beschichtung (5) fortgesetzt wird und/oder das die thermische Härtung (4) und/oder die Lichthärtung (4) für die Beschichtung (5) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) während der thermischen Härtung (4) und/oder der Lichthärtung (4) erfolgt und/oder nach der thermischen Härtung (4) und/oder der Lichthärtung (4) fortgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (5) vorgewärmt wird und/oder elektrostatisch aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (5) beispielsweise Metall, Glas und/oder Feinstsand ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (5) mit einem Harz (1) oder Kleber (1) auf die Oberfläche aufgebracht wird, wobei das Harz (1) oder der Kleber (1) mit oder ohne Zusätze in Form von Carbonfasern, Glasfasern, Kunststofffasern, Textilfaser, Naturfasern, Gesteinsfasern und/oder Metalldrähten versehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (5) aufgeblasen, verwirbelt, aufgeschüttet, aufgesprüht oder aufgewalzt wird und/oder dass das Carbonfaserprofil (3) oder die Carbonfaserfläche (3) durch ein Beschichtungsmaterialreservoir (6) geführt wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Konditionierung der Oberflächen pultrudierter und/oder anderweitig durch Harze (1) oder Kleber (1) zusammengefasster Carbonfasern (2) zu Carbonfaserprofilen (3) oder Carbonfaserflächen (3), wobei die Carbonfasern (2) in einem an sich bekannte Verfahren zu einem kontinuierlichem Strang gebündelt und/oder geometrisch geordnet, und in Harz (1) oder Kleber (1) eingebettet werden und dass eine thermische Härtung (4) und/oder eine Lichthärtung (4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass nach zumindest einem ersten Bereich der Härtung (4) zumindest ein Beschichtungsbereich (5) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsbereich (5) in einer Beschichtungsvorrichtung (6) angeordnet ist, wobei die Beschichtungsvorrichtung (6) ein Beschichtungsmaterial (5) enthält.
Anordnung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beschichtungsbereich (5) zumindest ein weiterer Bereich der Härtung (4) vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Beschichtungsbereich (5) und der Bereich der Härtung (4) zumindest bereichsweise überlappen.
Anordnung nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (6) eine Wirbelkammer, eine Sprühvorrichtung, eine Walzvorrichtung und/oder ein Reservoir umfasst.
Anordnung nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsbereich (6) den Strang oder die Fläche zumindest teilweise oder vollständig in Umfangsrichtung umgibt.