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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren von Faserrovings im Wickelprozess unter Nutzung eines hochreaktiven Harz-Härter-Gemisches.
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Der Wickelprozess ist ein Verfahren, bei dem ein Faserroving auf einen Wickeldorn aufgewickelt wird, um auf dem Wickeldorn nach und nach eine Fasermatte vorbestimmter Dicke zu Erzeugen, die anschließend zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet wird. Der Faserroving muss hierfür vorher harzimprägniert werden.
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Bei marktüblichen Wickelmaschinen wird zum Imprägnieren ein sogenanntes Harzbad eingesetzt. Dies ist ein wannenförmiger Behälter, durch den das Faserbündel (Faserroving) durchgeführt wird, um die trockenen Fasern mit Harz-Härter-Gemisch zu Imprägnieren. Bei den üblicherweise eingesetzten Epoxidharzen beginnt die Reaktion des Gemisches sofort nach dem Vermischen von Harz und Härter. Durch die Reinharzansammlung wird eine Überreaktion des Harzgemisches ausgelöst. Dadurch wird Wärme freigesetzt (Exothermie), die wiederum den Reaktionsprozess im Harzbad beschleunigt. Durch die chemische Reaktion ändern sich die Eigenschaften (Viskosität) des Harz-Härter-Gemisches. Dadurch verschieben sich die Imprägniereigenschaften. Um dem entgegen zu wirken werden in der Praxis Harze mit langen Offenzeiten eingesetzt oder das Harzbad wird von außen gekühlt. In jedem Fall ist die Verarbeitungsdauer begrenzt und nach der Verarbeitungsdauer muss das Harzbad aufwändig gereinigt oder ausgetauscht werden.
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Durch die Verwendung des Harzbades ergeben sich mehrere Nachteile. Erstens ist die Verarbeitungsdauer begrenzt. Zweitens wird ein Wärmestau im angemischten Reinharz-Bad und damit eine ungewollte Beschleunigung der chemischen Reaktion durch Abwärme erzeugt. Drittens ist eine aufwändige Reinigung nach jedem Batch-Betrieb (d. h. Durchlauf) nötig. Viertens ist die Anwendung auf den Batch-Betrieb beschränkt und kein kontinuierlicher Prozess möglich. Fünftens ist der Materialverbrauch deutlich erhöht, da keine Dosierung des Harz-Härter-Gemisches möglich ist.
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Zudem haben Harze mit langen Offenzeiten auch lange Aushärtezeiten in der späteren Bauteilfertigstellung beispielsweise durch Pressen im Werkzeug. Eine schnelle Weiterverarbeitung ist damit ausgeschlossen. Das Verfahren unter Verwendung eines Heizbades mit Harz-Härter-Gemischen mit langen Offenzeiten ist beispielsweise für die automobile Massenfertigung nicht hinreichend geeignet.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Imprägnieren von Faserrovings im Wickelprozess bereit zu stellen, bei dem auf die Verwendung eines Harzbades verzichtet werden und somit ein kontinuierlicher Fertigungsprozess gewährleistet werden kann. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer harzimprägnierten Fasermatte ohne Verwendung eines Harzbades bereit zu stellen, wobei die Fasermatte unmittelbar weiter verarbeitbar ist.
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Diese Aufgaben werden durch die Merkmalskombinationen Gemäß der Patentansprüche 1 und 10 gelöst.
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Dabei wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Imprägnieren von Faserrovings im Wickelprozess vorgeschlagen, bei dem über eine Dosiervorrichtung ein vorgemischtes, vorzugsweise hochreaktives Harz-Härter-Gemisch unmittelbar auf den an der Dosiervorrichtung vorbeigeführten Faserroving aufgetragen wird. Im Gegensatz zu Harz-Härter-Gemischen mit langen Offenzeiten ist ein hochreaktives Harz-Härter-Gemisch dadurch definiert, dass neben dem Epoxidharz ein Härter verwendet wird, der ein sehr schnelles Aushärten innerhalb von Minuten des Gemisches ermöglicht. Hochreaktive Härter verkürzen durch Beschleuniger die Reaktionszeit des Harz-Härter-Gemisches. Als Abgrenzung gegenüber hochreaktiven Harzen kennt die Technik sog. langsam reaktive Harze mit Aushärtezeiten von mehreren Stunden bei üblichen Harzbadtemperaturen von 30–50°C.
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Eine Verarbeitung von hochreaktiven Harz-Härter-Gemischen ist im Wickelprozess unter Verwendung eines Heizbades technisch nicht realisierbar, da das Gemisch bereits während der Verarbeitung aushärten würde und das Heizbad nicht weiter verwendbar wäre. Erfindungsgemäß erfolgt die Mischung von Epoxidharz und Härter vorzugsweise in der Dosiervorrichtung und wird anschließend unmittelbar auf den an der Dosiervorrichtung vorbeigeführten Faserroving aufgetragen. Das Auftragen wird über eine Düse gewährleistet. Die Auftragungsgeschwindigkeit wird in einer Ausführung schwerkraftbedingt und über einen vorbestimmten Düsenspalt, in einer alternativen Ausführung über einen elektrischen Antrieb gesteuert. Dabei ist günstig, dass die Auftragungsgeschwindigkeit und damit die von der Dosiervorrichtung auf den Faserroving aufgebrachte Menge an Harz-Härter-Gemisch an die Geschwindigkeit anpassbar ist, mit der der Faserroving an der Dosiervorrichtung vorbeigeführt wird. Die Dosiervorrichtung und die Fördereinrichtung des Faserrovings sind über eine entsprechende Steuerung verbunden, um eine entsprechende Abstimmung zu realisieren.
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Nach dem Aufbringen des hochreaktiven Harz-Härter-Gemisches wird der Faserroving in einer vorteilhaften Ausführungsform über mindestens ein Umlenkmittel, vorzugsweise mehrere Umlenkmittel geführt, das bzw. die eine Förderrichtung (Maschinenrichtung) des Faserroving in einem vorbestimmten Winkel umlenkt und dabei den Faserroving spannt sowie das Harz-Härter-Gemisch in den Faserroving einarbeitet. Als Umlenkmittel kommen erfindungsgemäß feststehende oder drehbare Umlenkrollen oder Umlenkkanten zum Einsatz, die ein flächiges Anliegen und Vorbeigleiten des Faserrovings ermöglichen. Das zuvor aufgetragene Harz-Härter-Gemisch durchdringt den Faserroving nach und nach und bildet an dem zuführseitigen Randabschnitt des Umlenkmittels eine Anhäufung, die über das Umlenkmittel in den Faserroving flächig eingedrückt wird. Im Anschluss wird der Faserroving auf einen Wickeldorn aufgewickelt, um dort eine Fasermatte zu bilden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen ist, das hochreaktive Harz-Härter-Gemisch aus vorgewärmtem Harz und vorgewärmtem Härter zu erzeugen, um die Viskosität der Komponenten anzugleichen und diejenige des Gemisches zu verringern, um das Gemisch leichter auf den Roving aufbringen zu können (bessere Imprägnierung). Dabei ist vorteilhaft, wenn das Harz oder der Härter, vorzugsweise jedoch beide, auf eine Temperatur von 40–70°C, weiter bevorzugt auf 50–60°C vorgewärmt werden. Dabei ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Harz-Härter-Gemisch in der Dosiervorrichtung unmittelbar vor dem Auftragen auf den Faserroving gemischt wird. Die Verweildauer des schnell reagierenden Gemisches innerhalb der Dosiervorrichtung ist sehr gering, da es nach der Mischung unmittelbar und kontinuierlich auf den vorbeigeführten Faserroving aufgetragen wird. Durch die verringerte Viskosität ist das Gemisch dem Faserroving in kürzerer Zeit in größeren Mengen zuführbar. Zudem durchdringt es den Faserroving schneller, so dass die Fördergeschwindigkeit des Faserrovings erhöht werden kann. Dies vergrößert den Output und macht den Fertigungsprozess ökonomischer.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Faserroving in einer auf 0–15°C, vorzugsweise 5–15°C gekühlten Umgebung auf den Wickeldorn aufgewickelt wird. Die Abkühlung bereits beim Wickeln verlangsamt den Aushärtungsprozess des Harz-Härter-Gemisches stark, so dass die auf dem Wickeldorn erzeugte Fasermatte die gewünschte Imprägnierung aufweist und in den nach folgenden Bauteilherstellungsverfahren verarbeitbar bleibt.
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Zur Vorbereitung des Faserrovings wird dieser in einer Ausführungsvariante der Erfindung vor dem Auftragen des Harz-Härter-Gemisches durch mindestens einen Spreizer geführt und dabei in seiner Dicke d um 20–60% verkleinert und seiner Breite b um 20–60% vergrößert, so dass eine der Dosiervorrichtung zuweisende Oberfläche des Faserrovings vergrößert und eine von dem Harz-Härter-Gemisch zu durchdringende Dicke verringert wird. Als Spreizer wird erfindungsgemäß beispielsweise ein Ultraschallspreizer mit zwei gegenüberliegenden vibrierenden Walzen verwendet, durch den der Faserroving hindurchgeführt wird. Alternativ wird der Faserroving über einen Spreizer mit konvexer Oberfläche geführt, welche die Faserfilamente des Faserrovings aufteilt und seine Breite vergrößert. Durch die vergrößerte Fläche und verringerte Dicke kann das Gemisch schneller und leichter durch den gesamten Querschnitt des Faserroving durchdringen und diesen vollständig benetzen.
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Die Erfindung umfasst auch das Verfahren zur Herstellung einer harzimprägnierten Fasermatte, bei dem ein Faserroving im Wickelprozess den vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten bearbeitet wurde, so dass eine harzimprägnierte Fasermatte entsteht, die anschließend von dem Wickeldorn geschnitten wird.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht des Ablaufs des Verfahrens;
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2 eine schematische Ansicht einer Draufsicht auf den gemäß 1 verarbeiteten Faserroving.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch und zeigen eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Imprägnieren eines Faserrovings 1 beispielsweise aus Kohlefasern im Wickelprozess gezeigt, wobei auf eine Darstellung des Wickeldorns selbst verzichtet wurde. Der Faserroving 1 wird als in eine durch den Pfeil P gezeigte Richtung gefördert und durchläuft das Verfahren schrittweise von links nach rechts. Zunächst wird der Faserroving 1 mit einer Ausgangsdicke d0 durch einen aus zwei vibrierenden Walzen 6 gebildeten Spreizer geführt und auf eine um ca. 50% geringere Dicke d1 verdünnt. Dabei verbreitert sich der Faserroving 1 von einer Ausgangsreite b0 um ca. 30% auf eine Breite b1, wie es in der Draufsicht gemäß 2 dargestellt ist. Verwendet wird vorzugsweise ein 50k-Roving.
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Einer Dosiervorrichtung 2 wird vorgewärmtes Epoxidharz 4 und vorgewärmter hochreaktiver Härter 5 zugeführt und in einer daran ausgebildeten oder angeordneten Mischdüse 7 zu einem hochreaktiven Harz-Härter-Gemisch 9 vermischt. Über eine Mischdüse 7 erfolgt ein bezüglich der pro Zeiteinheit zugeführten Menge gesteuertes Aufragen des Harz-Härter-Gemisches 9 unmittelbar auf den an der Dosiervorrichtung 2 vorbeigeführten Faserroving 1. Anschließend wird der Faserroving 1 über die als Umlenkrollen 3, 3', 3'' ausgebildeten Umlenkmittel geführt, durch die der Faserroving 1 mehrfach gespannt und das Harz-Härter-Gemisch 9 in den Faserroving 1 von beiden Seiten eingearbeitet wird. Am Randabschnitt zwischen Faserroving 1 und den Umlenkrollen 3, 3', 3'' bildet sich jeweils eine geringfügige Anhäufung an Harz-Härter-Gemisch 9, die über die Umlenkrollen 3, 3', 3'' in den Faserroving 1 eingedrückt werden, um eine vollständige Durchsetzung des Faserrovings 1 von zwei Seiten zu gewährleisten. Das Harz-Härter-Gemisch 9 kann durch die durch den Spreizer reduzierte Dicke schneller in den Faserroving 1 eindringen und diesen vollständig durchsetzen, um eine ganzheitliche Imprägnierung zu gewährleisten. Das Auftragen und Einarbeiten des Harz-Härter-Gemisches 9 erfolgt bei üblicher Raumtemperatur von 20–30° Grad. Nach dem Passieren der letzten Umlenkrolle 3'' erreicht der Faserroving 1 die als Linie dargestellte Grenze 10. Der sich anschließende Bereich, in dem auch das Aufrollen des Faserrovings 1 auf den Wickeldorn zur Erzeugung einer Fasermatte erfolgt, ist eine auf 5–15°C gekühlte Umgebung, so dass die Reaktion und der Aushärteprozess des Harz-Härter-Gemisches 9 in dem Faserroving 1 stark reduziert werden. Der Imprägnierprozess ist kontinuierlich und nicht auf einzelne Batches beschränkt.
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In der Draufsicht gemäß 2 ist lediglich eine Walze 6 des Spreizers dargestellt, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit keine Dosiervorrichtung 2 oder Umlenkrollen 3, 3', 3''.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise können auch Umlenkbleche und Umlenkrolle zusammen verwendet werden. Zudem wird eine Steuerung zur Abstimmung der Fördergeschwindigkeit des Rovings, der Zuführmenge an Harz-Härter-Gemisch und der Aufwickeleinrichtung auf den Wickeldorn eingesetzt, obschon diese nicht explizit dargestellt ist.
