DE102016219554A1

DE102016219554A1 - Injektionseinrichtung zur Imprägnierung eines Strangs aus Fasern sowie deren Verwendung in einem Pultrusionsverfahren

Info

Publication number: DE102016219554A1
Application number: DE102016219554.9A
Authority: DE
Inventors: André Kießling; Jens Werner; Jörn Kiele; Till Weinkauf
Original assignee: ThyssenKrupp Carbon Components GmbH
Current assignee: Action Composites Hightech GmbH
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2036-10-08
Also published as: DE102016219554B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Injektionseinrichtung (6, 6‘) zur Imprägnierung eines Strangs aus Fasern (2) und deren Verwendung in einem Pultrusionsverfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines Rohlings aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff. Die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung (6, 6‘) weist mindestens eine Injektionskammer (61, 61‘) auf, in die über mindestens einen Injektionskanal (611, 611‘), der mit einem Reservoir für Matrixmaterial (230) verbunden ist, Matrixmaterial (230) in fließfähigem Zustand eingespritzt wird, wobei die Injektionseinrichtung (6, 6‘) zumindest in dem Bereich, in dem der Strang (2) in die mindestens eine Injektionskammer (61, 61‘) der Injektionseinrichtung (6, 6‘) eintritt, mindestens ein Dichtungselement (631, 642‘) aufweist, dessen Dichtfläche geeignet ist, den Strang (2) im Bereich des Eintritts in die mindestens eine Injektionskammer (61, 61‘) vollständig zu umfassen. Vorteilhaft kann mit der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung (6, 6‘) bei hoher Ziehgeschwindigkeit eine homogene und vollständige Benetzung der Fasern des Strangs (2) erzielt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Injektionseinrichtung zur Imprägnierung eines Strangs aus Fasern sowie deren Verwendung in einem Pultrusionsverfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Rohlingen aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff (FKV).
Das Pultrusionsverfahren, auch als Strangziehen bezeichnet, ermöglicht eine kontinuierliche Fertigung von Faser-Kunststoff-Verbund-Profilen (FKV-Profilen), insbesondere von mit Endlosfasern verstärkten Verbund-Profilen. Beim Pultrusionsverfahren wird ein Strang aus (Verstärkungs-)Fasern und Faserhalbzeugen, insbesondere aus endlosen Verstärkungsfasern, mittels einer Abzugsvorrichtung durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines FKV-Profils, die im Allgemeinen eine Vorrichtung zum Einbetten der Fasern in eine Kunststoffmatrix, auch als Imprägnierung bezeichnet, und eine Aushärtungs- und Formgebungsvorrichtung umfasst, gezogen. Die Prozessgeschwindigkeiten der einzelnen Verfahrensschritte des Pultrusionsverfahrens bestimmen die Ziehgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der der Strang durch die Vorrichtung zur Durchführung des Pultrusionsverfahrens gezogen wird.
Die Formgebung erfolgt üblicherweise mittels eines beheizten Werkzeugs, in dem zugleich die Aushärtung des Matrixmaterials des FKV-Profils stattfindet. Da die Aushärtung eine gewisse Zeitdauer in Anspruch nimmt, ist die Ziehgeschwindigkeit, die bei einem Pultrusionsverfahren mit beheiztem Werkzeug angewendet werden kann, begrenzt. Zur Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit kann zum einen das beheizte Werkzeug unter Konstanthalten der Werkzeugtemperatur verlängert werden, so dass die Verweildauer des mit Matrixmaterial imprägnierten Strangs im Werkzeug verlängert wird. Durch die Verlängerung des Werkzeugs steigt nachteilig die Reibung, der der Strang ausgesetzt ist, was in höheren, von der Abzugsvorrichtung aufzubringenden Abzugskräften und in einer höheren Schädigungswahrscheinlichkeit der Fasern des Strangs resultiert. Zum anderen kann eine Beschleunigung des Aushärtungsprozesses durch Erhöhung der Werkzeugtemperatur unter Konstanthalten der Werkzeuglänge erzielt werden. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass die Temperaturverteilung insbesondere bei großen Strangquerschnitten nicht homogen ist, so dass es häufig zu einem lokal begrenzten Anhärten im Werkzeug kommt, oder zu einer vorschnellen Aushärtung der Oberfläche des Strangs, was zu einem Aufreißen der Oberfläche oder zu Blasenbildung an der Oberfläche nach Austritt aus dem Werkzeug führen kann. Des Weiteren kann eine mögliche lokale Überhitzung des Matrixmaterials zu dessen chemischer Zersetzung führen.
Aus der EP 1347114 A2 ist ein Pultrusionsverfahren bekannt, bei dem zur Überwindung der beschriebenen Nachteile die Verfahrensschritte der Formgebung und der Aushärtung voneinander getrennt sind. Dazu wird eine formgebende, aus Kunststoff bestehende, verlorene Schalung angewendet, in der die Aushärtung unabhängig vom eigentlichen Pultrusionsverfahren erfolgen kann. Die verlorene Schalung wird auf einfache Weise im Pultrusionsverfahren mit Fasern, die mit Matrixmaterial imprägniert werden, befüllt und verschlossen. Es werden keine Maßnahmen beschrieben, mit denen eine unvollständige Imprägnierung der Fasern oder Lufteinschlüsse bei der Imprägnierung vermieden werden, so dass davon auszugehen ist, dass die mittels des offenbarten Verfahrens hergestellten FKV-Profile eine verminderte Qualität aufweisen.
Ziel des Imprägnierungsschritts ist es, jedes Element des Faserhalbzeugs vollständig mit Matrixmaterial zu umhüllen. Unvollständig benetzte Elemente und Lufteinschlüsse in der Matrix verschlechtern die mechanischen Eigenschaften eines FKV-Profils und sind unerwünscht. Aus diesem Grund erfolgt die Imprägnierung häufig durch Injektion des Matrixmaterials unter deutlich erhöhtem Relativdruck, wobei der Relativdruck die Druckdifferenz zwischen dem in der Vorrichtung herrschenden Absolutdruck und dem Umgebungsdruck (im Allgemeinen dem Luftdruck) darstellt. Diese Druckerhöhung ist aber insbesondere bei Matrixmaterialien höherer Viskosität nicht ausreichend, um die genannten unerwünschten Effekte zu vermeiden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene weitere Ansätze bekannt, um die Qualität der Tränkung eines Strangs mit Matrixmaterial zu verbessern. In der US5073413 A ist eine Pultrusionsvorrichtung beschrieben, die zwei Kammern aufweist, wobei in der ersten, der Injektionskammer, zunächst Matrixmaterial in einen Strang aus ungetränkten Fasern injiziert wird, und daran anschließend in der zweiten Kammer der Strang aus nunmehr getränkten Fasern einem Entgasungsprozess unterzogen wird, indem er durch die Kammer, in der ein negativer Relativdruck (Unterdruck) herrscht, gezogen wird. Ein Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass das Matrixmaterial einen erhöhten Strömungswiderstand für Luftblasen, die in radialer Richtung aus dem Inneren des Faserstrangs entweichen sollen, darstellt. Insbesondere bei Strängen mit großen Querschnitten muss die Verweildauer in der Unterdruckkammer dementsprechend lang gewählt werden, so dass die Ziehgeschwindigkeit durch die Pultrusionsvorrichtung gering ist. Durch eingeschlossene Luftblasen kann es zu einer unvollständigen Benetzung der Fasern mit Matrixmaterial und kommen, was die mechanischen Eigenschaften des FKV-Profils beeinträchtigt.
Ein ähnliches Konzept für eine Injektionseinrichtung in einem Pultrusionsverfahren ist in der JP H05318608 A offenbart; hier erfolgt eine Tränkung des Strangs durch Injektion von Matrixmaterial von mindestens zwei Punkten aus, zwischen denen der bereits getränkte Strang einem Unterdruck ausgesetzt ist, damit während der ersten Tränkung eingeschlossene Luftblasen aus dem Strang entweichen. Die Abdichtung des Strangbereichs, der dem Unterdruck ausgesetzt ist, gegenüber der Umgebung erfolgt dadurch, dass der Strangbereich beiderseits durch mit Matrixmaterial getränkte Strangbereiche von der Umgebung getrennt ist. Dieses Verfahren weist ebenfalls die zuvor genannten Nachteile aufgrund des durch das Matrixmaterial erhöhten Strömungswiderstands für eingeschlossene Luftblasen auf.
Unter anderem in der EP 1 960 184 B1 ist eine Injektionseinrichtung für ein Pultrusionsverfahren offenbart, bei der die vollständige Imprägnierung des Strangs in der Injektionskammer dadurch erreicht werden soll, dass sich die Injektionskammer in Pultrusionsrichtung verjüngt. Es erfolgt also ein Verpressen des Strangs, so dass mit der beschriebenen Injektionseinrichtung die Herstellung eines FKV-Profils mit relativ niedrigem Faservolumengehalt, was zu vorteilhaften Festigkeitseigenschaften führen kann, nicht möglich ist.
Um die Ziehgeschwindigkeit erhöhen zu können, wird in der WO 2013/092738 vorgeschlagen, die Injektion von Matrixmaterial unter Energiezufuhr, beispielsweise in Form von Mikrowellen, Ultraschall oder Hochfrequenzwellen, durchzuführen. Nachteilig erfordert dies die Implementierung zusätzlicher Komponenten in die Pultrusionsvorrichtung, wobei unerwünschte Effekte dadurch auftreten können, dass Fasern in Schwingung versetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte Injektionseinrichtung zur Imprägnierung eines Strangs mit Matrixmaterial vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Injektionseinrichtung zur Imprägnierung eines Strangs aus Fasern mit Matrixmaterial, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung ist zur Imprägnierung eines Strangs aus Fasern Matrixmaterial ausgebildet. Sie weist mindestens eine Injektionskammer auf, in die über mindestens einen Injektionskanal, der mit einem Reservoir für Matrixmaterial verbunden ist, Matrixmaterial in fließfähigem Zustand eingespritzt wird. Zumindest am Eintritt des Strangs in die mindestens eine Injektionskammer der Injektionseinrichtung weist die Injektionseinrichtung mindestens ein Dichtungselement auf, dessen Dichtfläche geeignet ist, den Strang im Bereich des Eintritts in die mindestens eine Injektionskammer vollständig zu umfassen.
Die Injektion von Matrixmaterial in die mindestens eine Injektionskammer der Injektionseinrichtung kann unter einem positiven Relativdruck oder relativdrucklos erfolgen, wobei die Injektion unter einem positiven Relativdruck bevorzugt ist. Bevorzugt beträgt der positive Relativdruck mindestens 0,5 bar, um ein gerichtetes Fließen des Matrixmaterials zu erreichen, besonders bevorzugt mindestens 5 bar, ganz besonders bevorzugt mindestens 50 bar. Der Relativdruck, unter dem die Injektion von Matrixmaterial erfolgt, wird als „Injektionsdruck“ bezeichnet. Als „Relativdruck“ wird im Sinne der Erfindung die Druckdifferenz zum Absolutdruck in der Umgebung bezeichnet, im Allgemeinen also die Druckdifferenz zum Luftdruck.
Die Erfindung umfasst nicht nur eine Injektionseinrichtung, in der ein Strang angeordnet ist, sondern auch eine Injektionseinrichtung, die entsprechend ausgestaltet ist, den Strang aufzunehmen.
Als Matrixmaterial können prinzipiell sowohl duroplastische als auch thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden Reaktivharzsysteme oder aufschmelzbare Kunststoffe als Matrixmaterial eingesetzt.
Der Begriff „Fasern“ umfasst im Sinne der Erfindung auch alle geeigneten Halbzeuge aus Fasern. Der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung können sowohl Einzelfilamente und Rovings, insbesondere Endlosfasern, als auch jedes zur Pultrusion geeignete Faserhalbzeug zugeführt werden, beispielsweise Gelege, Gewirke, Gewebe, Geflechte, Matten, Vliese, sowie Kombinationen aus verschiedenen Faser- bzw. Faserhalbzeugarten. Es können Natur- oder Kunstfasern, beispielsweise Glas- oder Kohlenstoff- oder Aramidfasern, verwendet werden.
Die Bereitstellung der Fasern erfolgt aus einem Vorratsbereich heraus, der beispielsweise einen Spulenständer und / oder ein Flechtrad und / oder ein Wickelrad und / oder einen Ständer für Materialbänder umfassen kann. Nach dem Abzug aus dem Vorratsbereich erfolgt die Bündelung der Fasern zu einem Strang.
Als „Strang“ wird eine Anordnung von gebündelten Fasern bezeichnet, die kontinuierlich translatorisch durch die Injektionseinrichtung bewegt wird. Der Begriff „Strang“ umfasst in diesem Sinne auch eine Anordnung aus gebündelten Fasern und einem Formkern, wie sie zur Herstellung eines Hohlprofils verwendet wird.
In der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung kann ein Strang mit verschiedenen geometrischen Querschnittsformen angeordnet sein, beispielsweise rund, oval oder mehreckig, insbesondere auch in C-, H-, I-, L- oder T-Profil-Form, wobei der Querschnitt des Strangs konstant ist.
Die Bewegung des Strangs durch die Injektionseinrichtung erfolgt kontinuierlich, also räumlich und zeitlich unterbrechungsfrei, translatorisch in Pultrusionsrichtung. Die Bewegung erfolgt mittels einer Abzugseinrichtung, beispielsweise eines aus dem Stand der Technik bekannten Pullers, einer Bandabzugseinrichtung oder einer Trommelabzugseinrichtung. Als „Pultrusionsrichtung“ wird im Sinne der Erfindung die Richtung bezeichnet, in der die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung durchlaufen wird. Im Folgenden beziehen sich alle Positionsangaben, sofern nicht anders angegeben, auf die Pultrusionsrichtung.
Die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung weist zumindest am Eintritt des Strangs in ihre mindestens eine Injektionskammer mindestens ein Dichtungselement auf, dessen Dichtfläche dazu geeignet ist, den Strang im Bereich des Eintritts in die Injektionskammer vollständig zu umfassen. Als „Dichtfläche“ ist im Sinne der Erfindung die Fläche eines Dichtungselements zu verstehen, an der eine abdichtende Wirkung erzielt wird.
Der Begriff „Dichtungselement“ umfasst alle Elemente, mittels derer unerwünschte Medienströmungen, insbesondere Luftströmungen, in das durch das Dichtungselement abzudichtende Reservoir zumindest auf ein prozessunschädliches Niveau begrenzt werden.
Das Dichtungselement kann bevorzugt darin bestehen, dass die Injektionskammer einen Bereich aufweist, in dem eine vollumfängliche Passung zwischen ihrer inneren Oberfläche und dem Strang besteht, wenn ein Strang in der Injektionseinrichtung angeordnet ist, beispielsweise dadurch, dass die Abmessungen der Injektionskammer senkrecht zur Pultrusionsrichtung den korrespondierenden Abmessungen senkrecht zur Pultrusionsrichtung des Strangs entsprechen. Dieser Bereich wird im Folgenden auch als „Kontaktbereich“ bezeichnet, auch dann, wenn die Passung als Spielpassung charakterisiert werden kann. Der Kontaktbereich stellt eine Dichtfläche dar. Mit anderen Worten weist die mindestens eine Injektionskammer der Injektionseinrichtung bevorzugt mindestens einen Kontaktbereich mit dem Strang auf. Bevorzugt nehmen die Abmessungen senkrecht zur Pultrusionsrichtung der mindestens einen Injektionskammer in Pultrusionsrichtung nach einem Kontaktbereich zu und verringern sich wieder zu einem zweiten Kontaktbereich. Ein Kontaktbereich übt eine Drosselfunktion bezüglich des Injektionsdrucks aus. Der mindestens eine Injektionskanal ist bevorzugt in dem Bereich angeordnet, in dem die Abmessungen der Injektionskammer senkrecht zur Pultrusionsrichtung am größten sind.
Des Weiteren bevorzugt kann ein Dichtungselement der Injektionseinrichtung als Dichtlippe ausgebildet sein, wobei ein Kontaktbereich zwischen der Dichtlippe und dem Strang besteht. Aufgrund der gerichteten Bewegung des Strangs in Pultrusionsrichtung erfahren die Dichtlippen eine Ausrichtung und werden durch den in der Injektionskammer bevorzugt herrschenden positiven Relativdruck dichtend an den Strang gedrückt.
Besonders vorteilhaft sind die Merkmale der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung dann, wenn der Strang der Injektionseinrichtung in einem nahezu luftleeren Zustand zugeführt wird. Selbstverständlich lassen sich jedoch auch nicht-luftleere Stränge in der Injektionseinrichtung einsetzen.
Eine Änderung des Faservolumengehalts des Strangs bei der translatorischen Bewegung des Strangs durch die Injektionseinrichtung, beispielsweise durch Verpressen, ist dann nicht notwendig, um Lufteinschlüsse bei der Imprägnierung zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung eignet sich demnach vorteilhaft dazu, einen vollständig mit Matrixmaterial imprägnierten Strang mit einem für die Festigkeit des ausgehärteten FKV-Rohlings günstigen Faservolumengehalt, beispielsweise einem Faservolumengehalt unter 60 Vol.-%, bereitzustellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung mindestens zwei in Pultrusionsrichtung hintereinander liegende Kammern auf. Der Begriff Kammern umfasst dabei auch solche, als „Totkammern“ bezeichnete Kammern, in die kein oder zumindest nicht kontinuierlich Matrixmaterial injiziert wird.
Besonders bevorzugt weist die Injektionseinrichtung mindestens zwei Injektionskammern auf, die jeweils einen Injektionskanal aufweisen und mit einem Reservoir für Matrixmaterial verbunden sind. Die mindestens zwei Injektionskammern sind so ausgebildet, dass in die mindestens zwei Injektionskammern Matrixmaterial unter voneinander verschiedenen positiven Relativdruckwerten injiziert werden kann. Dazu weist bevorzugt jede der Injektionskammern zumindest am Eintritt des Strangs in die betreffende Kammer mindestens ein Dichtungselement auf, dessen Dichtfläche dazu geeignet ist, den Strang im Bereich des Eintritts in die betreffende Injektionskammer vollständig zu umfassen. Die Injektionskammern sind also gegeneinander abgedichtet, um vorteilhaft voneinander verschiedene Injektionsdrücke realisieren zu können. Der höchste Injektionsdruck ist dabei so zu wählen, dass eine homogene und vollständige Imprägnierung der Fasern des Strangs erzielt wird und beispielsweise Kapillareffekte, die eine Benetzung der Fasern erschweren, überwunden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung in Pultrusionsrichtung vor und/oder nach der mindestens einen Injektionskammer und/oder zwischen zwei Kammern mindestens eine Abtropfkammer auf, die einen Zugang zu einer Abtropfrinne aufweist, mittels derer überschüssiges Matrixmaterial aus der Injektionseinrichtung abgeführt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung als ein integrales, also einstückiges, Bauteil ausgeführt. Vorteilhaft weist die Injektionsvorrichtung damit keine Trennfugen auf, insbesondere keine axialen Trennfugen, also Trennfugen parallel zur Pultrusionsrichtung, die zu einer Schädigung der Fasern des Strangs beim Passieren der Injektionseinrichtung führen können. Faserschädigungen erfolgen beispielsweise durch Einklemmen, insbesondere bei unidirektionalen Fasern, sowie verstärkte Reibung an axialen Trennfugen.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung einen modularen Aufbau auf, der dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere voneinander trennbare Kammermodule in Pultrusionsrichtung hintereinander angeordnet sind. Vor und/oder hinter und/oder zwischen den Kammermodulen kann besonders bevorzugt mindestens ein Abtropfkammermodul angeordnet sein. Die Kammermodule der Injektionseinrichtung können dabei auch Totkammermodule umfassen, die nicht als Injektions- oder Abtropfkammermodul ausgebildet sind und in die keine oder zumindest nicht kontinuierlich eine Injektion von Matrixmaterial erfolgt.
Die Kammern der Kammermodule sind besonders bevorzugt durch den Strang vollumfänglich umfassende Dichtungselemente gegeneinander abgedichtet.
Des Weiteren sind die Kammermodule besonders bevorzugt luftdicht zumindest gegenüber der Umgebung miteinander verbunden. „Luftdicht“ im Sinne der Erfindung heißt, dass das Eindringen von Umgebungsluft, hier in das Innere der Injektionseinrichtung, verhindert oder zumindest auf ein prozessunschädliches Niveau begrenzt wird.
Auch die modulare Ausführung der Injektionseinrichtung weist vorteilhaft keine axialen Trennfugen auf. Ein weiterer Vorteil der modularen Ausführung besteht darin, dass die Anzahl der Kammern, insbesondere der Injektionskammern, der Injektionseinrichtung variabel ist und verfahrensangepasst gewählt werden kann. Des Weiteren können Dichtungselemente mit Dichtflächen zum Strang an den Kammermodulen angeordnet sein, mittels derer eine hohe Dichtwirkung erzielt werden kann, beispielsweise Dichtlippen. Diese können aufgrund der modularen Ausführung auf einfache Weise ausgewählt werden, wenn sie, z. B. aufgrund der Abrasion durch den Strang, verschlissen sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung einen Strangkanal auf, wobei die Oberfläche des Strangkanals zumindest in den Kontaktbereichen mit dem Strang mit einer Verschleißschutzschicht belegt ist. Besonders bevorzugt ist die Verschleißschutzschicht vollständig und unterbrechungsfrei ausgebildet. „Unterbrechungsfrei“ beinhaltet dabei, dass auch die gesamte Oberfläche der mindestens einen Injektionskammer, sowie der optionalen weiteren Kammern, falls vorhanden, mit der Verschleißschutzschicht belegt ist. Als Verschleißschutzschicht kann besonders bevorzugt eine Einzel- oder Mehrfachschicht aus einem oder mehreren Metallen oder Metall-Legierungen eingesetzt werden, ganz besonders bevorzugt eine Hartchromschicht (Chrom(VI)), Wolframcarbid-Schicht, Chromcarbid-Schicht oder Chrom(III)-Schicht. Des Weiteren besonders bevorzugt können keramische Schichten eingesetzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist an der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung mindestens ein Temperierungselement angeordnet. Das mindestens eine Temperierungselement kann dabei ein Heizelement, beispielsweise eine Heizpatrone oder einen elektrischen Widerstandsheizer, und/oder ein Kühlelement, beispielsweise einen Kühlmittelkanal, umfassen. Vorteilhaft kann durch eine Temperierung der Injektionseinrichtung die temperaturabhängige Viskosität des Matrixmaterials beeinflusst und die Imprägnierung des Strangs verbessert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest die Elemente einer erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung, die einen Kontaktbereich mit dem Strang aufweisen, eine Rotationsbewegung um den Strang ausführen, wobei der Strang rotationssymmetrisch um eine Strangachse ausgebildet ist.
Die Rotationsbewegung um den Strang bietet positive Effekte für die Verarbeitbarkeit des Strangs mittels der Vakuum- und/oder Injektionseinrichtung. Vorteilhaft können durch die Herstellung des Strangs unter Rotationsbewegung die erzielbaren mechanischen Eigenschaften des Strangs verbessert werden.
Jede Faser an der Strangoberfläche tritt an einem definierten Punkt in den Kontaktbereich eines Elements der Injektionseinrichtung ein. Der Bereich, der diese definierten Punkte umfasst, wird als Eintrittsbereich des Strangs in den Kontaktbereich bezeichnet.
Die beschriebene Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung bewirkt, dass der Translationsbewegung des Strangs im Eintrittsbereich in den Kontaktbereich der Elemente der Injektionseinrichtung eine Rotationsbewegung überlagert wird.
Besonders bevorzugt führt die gesamte Injektionseinrichtung die Rotationsbewegung um den Strang aus. Es ist jedoch ebenso möglich, die Injektionseinrichtung so auszubilden, dass nur Anteile deren Elemente oder nur deren Elemente, die einen Kontaktbereich mit dem Strang aufweisen, die Rotationsbewegung um den Strang ausführen, wobei die Ausdehnung der Anteile der Elemente in Pultrusionsrichtung zumindest den Eintrittsbereich des Strangs in den Kontaktbereich umfasst.
Besonders vorteilhaft ist die beschriebene Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung bei einer Ausführung der Injektionseinrichtung ohne Dichtlippen.
Durch die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung und ihre Ausgestaltungen wird sichergestellt, dass der Strang die Injektionseinrichtung vollständig mit Matrixmaterial imprägniert verlässt. Die Oberfläche eines solchen FKV-Rohlings ist bei Entnahme aus der Injektionseinrichtung im Allgemeinen so ausgebildet, dass keine Luft aus der Umgebung in das Innere des Rohlings eindringt. Der Rohling kann aus der Injektionseinrichtung kommend einer Zuschneideeinrichtung zugeführt und abgelängt werden, und es kann die Aushärtung des Matrixmaterials erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung ist diese in Pultrusionsrichtung nach einer Vakuumeinrichtung angeordnet und luftdicht zumindest gegenüber der Umgebung mit dieser verbunden.
In der Vakuumeinrichtung ist der Strang, insbesondere ein Strang aus ungetränkten, also nicht mit Matrixmaterial benetzten Fasern, einem negativen Relativdruck ausgesetzt. „Negativer Relativdruck“ im Sinne der Erfindung bedeutet, dass der Absolutdruck in der Vakuumeinrichtung kleiner ist als der Umgebungsdruck, der im Vorratsbereich herrscht, im Allgemeinen also kleiner ist als der Luftdruck. Vorzugsweise ist der Absolutdruck, der in der Vakuumeinrichtung herrscht, dem Grobvakuumbereich zuzuordnen. In der Vakuumeinrichtung wird Luft aus dem Strang aus insbesondere ungetränkten Fasern weitgehend zumindest bis zu einem prozessunschädlichen Niveau entfernt, wobei der Restluftgehalt im Strang eine Funktion des Absolutdrucks in der Vakuumeinrichtung darstellt. In diesem Sinne ist der Strang am Austritt aus der Vakuumeinrichtung als „nahezu luftleer“ zu bezeichnen.
In der beschriebenen Ausgestaltung kann der Injektionseinrichtung also ein nahezu luftleerer Strang aus ungetränkten Fasern zugeführt werden, in den die Injektion von Matrixmaterial in der mindestens einen Injektionskammer erfolgt.
Die luftdichte Verbindung der Vakuumeinrichtung und der Injektionseinrichtung kann beispielsweise mittels eines Flanschs mit einer O-Ring-Dichtung erfolgen. „Luftdicht“ im Sinne der Erfindung heißt, dass das Eindringen von Umgebungsluft verhindert oder zumindest auf ein prozessunschädliches Niveau begrenzt wird. Prozessunschädlich ist das Niveau eindringender Umgebungsluft in den Strang, das eine Funktion der Leckrate in die Einrichtungen und den Verbindungsbereich der Einrichtungen ist, dann, wenn es nicht zu einer die mechanischen Eigenschaften eines ausgehärteten FKV-Rohlings negativ beeinträchtigenden Bildung von Lufteinschlüssen und Poren bei der Imprägnierung des Strangs führt. „Luftdichtheit“ im Sinne der Erfindung schließt die Dichtheit zumindest gegenüber nichtaggressiven Flüssigkeiten ein.
Vorteilhaft kann mit der beschrieben Ausgestaltung der Anordnung einer erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung hinter einer Vakuumeinrichtung bei hoher Ziehgeschwindigkeit eine besonders homogene und vollständige Benetzung der Fasern des Strangs erzielt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung ist diese in Pultrusionsrichtung vor einer Ummantelungseinrichtung angeordnet. Die Injektionseinrichtung und die Ummantelungseinrichtung können luftdicht zumindest gegenüber der Umgebung miteinander verbunden sein. Eine Ausführung ohne unmittelbare Verbindung der beiden Einrichtungen ist allerdings auch möglich.
In der Ummantelungseinrichtung wird der aus der Injektionseinrichtung kommende, mit Matrixmaterial imprägnierte Strang bzw. der FKV-Rohling mit einer ummantelten Oberfläche versehen. Als „Ummantelung“ sind dabei alle intrinsischen und / oder extrinsischen Elemente zu verstehen, mittels derer der Rohling mit einer Oberfläche versehen wird, die bei einer Weiterbehandlung des Rohlings luftdicht bleibt. Eine mögliche Weiterbehandlung ist insbesondere eine nichtspanende Formgebung, bei der Anteile der Oberfläche des Rohlings beispielsweise gestaucht oder gedehnt werden. Als intrinsische Elemente sind Elemente zu verstehen, die aus Matrixmaterial bestehen. Intrinsische Elemente sind in diesem Sinne insbesondere teilkonsolidiertes Matrixmaterial oder Matrixmaterial im Glaszustand. Extrinsische Elemente sind vom Matrixmaterial verschiedene Elemente, beispielsweise Folien oder Wachse.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung in einem Pultrusionsverfahren zur Herstellung von Rohlingen aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff, wobei das Pultrusionsverfahren zumindest die folgenden Verfahrensschritte aufweist, die in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden:

(1) Bereitstellung eines Strangs aus ungetränkten Fasern;
(2) Zuführung des Strangs aus ungetränkten Fasern zu einer Vakuumeinrichtung, die mindestens eine Vakuumkammer aufweist;
(3) Erzeugung eines negativen Relativdrucks in der mindestens einen Vakuumkammer der Vakuumeinrichtung, wodurch Luft aus dem Strang aus ungetränkten Fasern entweicht;
(4) Entnahme des nahezu luftleeren Strangs aus ungetränkten Fasern aus der Vakuumeinrichtung und Zuführung des nahezu luftleeren Strangs aus ungetränkten Fasern zu der Injektionseinrichtung, wobei Vakuumeinrichtung und Injektionseinrichtung luftdicht zumindest gegenüber der Umgebung miteinander verbunden sind;
(5) Injektion von Matrixmaterial in fließfähigem Zustand in die mindestens eine Injektionskammer der Injektionseinrichtung und Imprägnierung des Strangs mit dem Matrixmaterial;
(6) Entnahme des Rohlings aus der Injektionseinrichtung.

Nach Entnahme aus der Injektionsvorrichtung kann der FKV-Rohling weiteren Verfahrensschritten zugeführt werden, unter anderem zum Ablängen des FKV-Rohlings und zur Aushärtung des Matrixmaterials.
An das oben beschriebene Pultrusionsverfahren schließen sich bevorzugt die folgenden Verfahrensschritte an:

(7) Zuführung des Rohlings zu einer Ummantelungseinrichtung;
(8) Erzeugung einer ummantelten Oberfläche des Rohlings in der Ummantelungseinrichtung, wobei die Ummantelung dazu ausgebildet ist, die Luftdichtheit der Oberfläche des Rohlings bei weiteren Verfahrensschritten, denen der Rohling unterzogen werden kann, sicherzustellen;
(9) Entnahme des eine Ummantelung aufweisenden Rohlings aus der Ummantelungseinrichtung.

Nach der Entnahme aus der Ummantelungseinrichtung kann der Rohling weiteren Verfahrensschritten, die unter anderem eine formgebende Bearbeitung und die Aushärtung des Matrixmaterials betreffen können, zugeführt werden.
Vorteilhaft ermöglicht die beschriebene Ausgestaltung die Weiterbehandlung des eine Ummantelung aufweisenden Rohlings, insbesondere eine nichtspanende Formgebung, ohne dass durch Beschädigungen der Oberfläche des Rohlings Luft in den Rohling eindringen kann.
Das Aushärten des Matrixmaterials erfolgt bevorzugt in räumlicher und zeitlicher Trennung vom oben beschriebenen Pultrusionsverfahren.
Die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung eignet sich zur Verwendung im oben beschriebenen Pultrusionsverfahren zur Herstellung von Rohlingen aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff als Vollmaterial, also in Vollprofilform
Des Weiteren eignet sich die erfindungsgemäße Vakuumeinrichtung auch zur Verwendung im oben beschriebenen Pultrusionsverfahren zur Herstellung von Rohlingen aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff als Hohlprofil. Dazu ist bevorzugt ein starrer oder ein flexibler Formkern im Strang angeordnet.
Zur Herstellung von Rohlingen in Hohlprofilform kann ein starrer oder flexibler Formkern aus Vollmaterial im Strang angeordnet werden, um den die Fasern oder Faserhalbzeuge gebündelt sind. Ebenso kann ein starres oder flexibles Rohr als Formkern im Strang angeordnet werden, um das die Fasern oder Faserhalbzeuge gebündelt werden. Ein starrer Formkern aus Vollmaterial kann vorteilhaft nach der Aushärtung des Matrixmaterials, wobei für die Aushärtung keine Werkzeuge benötigt werden, beispielsweise durch Auspressen entfernt werden. Ein starres Rohr als Formkern kann vorteilhaft beispielsweise durch Ausbohren entfernt werden. Ein flexibler Formkern aus Vollmaterial oder ein flexibles Rohr als Formkern wird vorteilhaft verwendet, wenn der Rohling einer Formgebung unterzogen werden soll, und kann nach der Formgebung beispielsweise durch Ausschmelzen entfernt werden. Des Weiteren kann sowohl ein starrer als auch ein flexibler Formkern aus Vollmaterial oder ein starres oder flexibles Rohr als Formkern nach der Aushärtung des Matrixmaterials im Bauteil verbleiben.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden die erfindungsgemäße Injektionseinrichtung und die Verwendung der erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung durch Ausführungsbeispiele anhand von Figuren näher erläutert, ohne auf diese Ausführungsbeispiele begrenzt zu sein.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Pultrusionsanlage, die eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung aufweist;
2a ein Ausführungsbeispiel zur erfindungsgemäßen Verwendung einer erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung;
2b ein weiteres Ausführungsbeispiel zur erfindungsgemäßen Verwendung einer erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung;
3a ein Ausführungsbeispiel einer Vakuumeinrichtung mit mehreren Vakuumkammern in modularer Ausführung im Längsschnitt, wobei die Schnittebene der Mittelebene des Strangs entspricht und parallel zur Pultrusionsrichtung ist, und wobei die Vakuumeinrichtung stationäre Ringelemente aufweist;
3b ein Ausführungsbeispiel einer modularen Vakuumeinrichtung mit mehreren Vakuumkammern und stationären Ringelementen wie in 3a, wobei die Vakuumeinrichtung Elemente aufweist, um eine Rotation um die Strangachse durchzuführen;
3c ein Ausführungsbeispiel einer integralen Vakuumeinrichtung mit mehreren Vakuumkammern und stationären Ringelementen, dargestellt wie in 3a, wobei die Vakuumeinrichtung Elemente aufweist, um eine Rotation um die Strangachse durchzuführen;
4a die Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Vakuumeinrichtung mit mehreren Vakuumkammern, wobei die Vakuumeinrichtung rotierende Rollen als Dichtungselemente aufweist;
4b die in 4a gekennzeichnete Ansicht eines Querschnitts entlang der Linie A-A senkrecht zur Pultrusionsrichtung des in 4a dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vakuumeinrichtung;
5a die Seitenansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer Vakuumeinrichtung mit mehreren Vakuumkammern, wobei die Vakuumeinrichtung zwei förderbandartige Anordnungen mit über ein Dichtungsband verbundenen rotierenden Rollen aufweist;
5b die in 5a gekennzeichnete Ansicht eines Querschnitts entlang der Linie A-A senkrecht zur Pultrusionsrichtung des in 5a dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vakuumeinrichtung;
6a ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung in integraler Ausführung im Längsschnitt, wobei die Schnittebene der Mittelebene des Strangs entspricht und parallel zur Pultrusionsrichtung ist;
6b ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen integralen Injektionseinrichtung wie in 6a, wobei die Injektionseinrichtung Elemente aufweist, um eine Rotation um die Strangachse durchzuführen;
7 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung in modularer Ausführung im Längsschnitt, wobei die Schnittebene der Mittelebene des Strangs entspricht und parallel zur Pultrusionsrichtung ist;
8a eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Ummantelungseinrichtung, wobei der FKV-Rohling durch Einrollen mit einer Folie ummantelt wird.
8b die in 8a gekennzeichnete Ansicht eines Querschnitts der Ummantelungseinrichtung entlang der Linie A-A.
1 zeigt die schematische Darstellung einer Pultrusionsanlage 1, die dazu geeignet ist, einen FKV-Rohling 23 kontinuierlich herzustellen. Der FKV-Rohling kann einen runden, ovalen oder mehreckigen, z. B. T-förmigen, Querschnitt aufweisen. Der Strang 2, der die Pultrusionsanlage 1 durchläuft, umfasst gebündelte Fasern oder Faserhalbzeuge, die in einem Vorratsbereich 3 angeordnet sind. Der Vorratsbereich 3 umfasst exemplarisch einen Spulenständer 31 mit einer Vielzahl von Spulen 310, von denen Endlosfasern bzw. Rovings 311 in Pultrusionsrichtung 11 abgezogen und in einer Führungseinrichtung 4 gebündelt werden. Der Vorratsbereich 3 umfasst außerdem exemplarisch ein Wickelrad 32, mittels dessen beispielsweise Rovings 321 in einem einstellbaren Winkel zur Pultrusionsrichtung auf dem Strang 2 abgelegt werden können, und eine Anzahl von Faserbandspulen 33, von denen beispielsweise Faserbänder 331, Matten oder Vliese zur Verstärkung auf dem Strang 2 abgelegt werden.
Der Strang aus ungetränkten Fasern 21 wird in Pultrusionsrichtung 11 in eine Vakuumeinrichtung 5 eingezogen, die er als nahezu luftleerer Strang aus ungetränkten Fasern 22 verlässt. An die Vakuumeinrichtung 5 ist mindestens eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossen, um einen negativen Relativdruck in der Vakuumeinrichtung 5 zu erzeugen. Der nahezu luftleere Strang aus ungetränkten Fasern 22 wird dann in eine erfindungsgemäße Injektionseinrichtung 6 eingezogen, in der er imprägniert wird. Vakuumeinrichtung 5 und Injektionseinrichtung 6 sind über das Verbindungselement 51, beispielsweise einen mit einem Elastomer-O-Ring gedichteten Flansch, luftdicht gegenüber der Umgebung der Pultrusionsanlage 1 miteinander verbunden, so dass beim Übergang von der Vakuumeinrichtung 5 in die Injektionseinrichtung 6 keine Umgebungsluft in den nahezu luftleeren Strang aus ungetränkten Fasern 22 eindringt. Die Injektionseinrichtung verlässt der Strang vollständig mit Matrixmaterial imprägniert als FKV-Rohling 23. Die Injektionseinrichtung 6 und eine Ummantelungseinrichtung 7 sind über das Verbindungselement 60, das beispielsweise mit einem Elastomer-O-Ring gedichtet ist, luftdicht gegenüber der Umgebung der Pultrusionsanlage 1 miteinander verbunden, so dass sichergestellt ist, dass beim Übergang von der Injektionseinrichtung 6 in die Ummantelungseinrichtung 7 keine Umgebungsluft in den FKV-Rohling 23 eindringt. Da der FKV-Rohling 23 im Allgemeinen vollständig imprägniert ist, kann eine Pultrusionsanlage 1 auch ohne ein Verbindungselement 60 zwischen Injektionseinrichtung 6 und Ummantelungseinrichtung 7 betrieben werden. Der FKV-Rohling wird im Anschluss an die Imprägnierung der Ummantelungseinrichtung 7 zugeführt, in der eine ummantelte Oberfläche des FKV-Rohlings 23 erzeugt wird, wobei die ummantelte Oberfläche auch luftdicht ausgebildet ist, wenn sie gestreckt, gestaucht oder auf andere Art formgebend bearbeitet wird. Der eine ummantelte Oberfläche aufweisende FKV-Rohling 24 durchläuft dann die Abzugseinrichtung, mittels der der Strang 2 durch die Pultrusionsanlage 1 gezogen wird. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Bandabzugseinrichtung 8. Nach der Bandabzugseinrichtung 8 wird der eine ummantelte Oberfläche aufweisende FKV-Rohling 24 mittels einer Zuschneideeinrichtung 9, beispielsweise einer Säge, auf passende Abmessungen abgelängt und kann weiteren Verfahrensschritten (nicht dargestellt) zugeführt werden.
2a zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel zur erfindungsgemäßen Verwendung einer erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung 6. Die gezeigte Anordnung umfasst den Teil einer Pultrusionsanlage von der Vakuumeinrichtung 5 bis zur Injektionseinrichtung 6, wobei die Vakuumeinrichtung 5 mittels des Verbindungselements 51 luftdicht gegenüber der Umgebung mit der Injektionseinrichtung 6 verbunden ist, und ist dazu geeignet ist, einen FKV-Rohling 23 in Form eines Vollprofils gemäß dem vorgeschlagenen Pultrusionsverfahren kontinuierlich herzustellen.
Ein Strang aus ungetränkten Fasern 21 wird in die Vakuumeinrichtung 5 geführt, wobei bei Eintritt in die Vakuumeinrichtung 5 Luftblasen 200 im Strang aus ungetränkten Fasern 21 eingeschlossen sind. In der Vakuumeinrichtung 5 entweichen die Luftblasen 200 aufgrund des negativen Relativdrucks, der mittels einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) in der Vakuumeinrichtung 5 erzeugt wird, so dass ein nahezu luftleerer Strang aus ungetränkten Fasern 22 die Vakuumeinrichtung 5 verlässt und in die Injektionseinrichtung 6 gezogen wird. In der Injektionseinrichtung 6 erfolgt die Imprägnierung des nahezu luftleeren Strangs aus ungetränkten Fasern 22 mit Matrixmaterial 230. Die Injektionseinrichtung 6 verlässt ein vollständig imprägnierter FKV-Rohling 23.
2b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zur erfindungsgemäßen Verwendung einer erfindungsgemäßen Injektionseinrichtung 6. Schematisch dargestellt ist ein Ausschnitt einer Pultrusionsanlage, die dazu geeignet ist, einen FKV-Rohling 23 in Form eines Hohlprofils gemäß einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Pultrusionsverfahrens kontinuierlich herzustellen und mit einer ummantelten Oberfläche zu versehen. Der Ausschnitt umfasst den Teil der Pultrusionsanlage von der Vakuumeinrichtung 5, die durch das Verbindungselement 51 luftdicht gegenüber der Umgebung mit der Injektionseinrichtung 6 verbunden ist, bis zur Ummantelungseinrichtung 7, die über das Verbindungselement 60 luftdicht gegenüber der Umgebung mit der Injektionseinrichtung 6 verbunden ist, wobei die luftdichte Verbindung zwischen Injektionseinrichtung 6 und Ummantelungseinrichtung 7 optional ist.
Um einen FKV-Rohling 23 in Hohlprofilform zu fertigen, ist ein Formkern 25, der aus Vollmaterial bestehen oder rohrförmig sein kann, in dem Strang 2 angeordnet. Der Formkern 25 wird nach einer eventuellen Formgebung (nicht dargestellt) und nach dem Aushärten des Matrixmaterials 230 entfernt, beispielsweise durch Auspressen, Ausbohren oder Ausschmelzen, oder verbleibt im Bauteil. Wie in 2b verdeutlicht, wird zunächst ein Strang aus ungetränkten Fasern 21, wobei die Fasern um den Formkern 25 gebündelt sind, in die Vakuumeinrichtung 5 geführt, wobei bei Eintritt in die Vakuumeinrichtung 5 Luftblasen 200 im Strang aus ungetränkten Fasern 21 eingeschlossen sind. In der Vakuumeinrichtung 5 entweichen die Luftblasen 200 aufgrund des negativen Relativdrucks, der mittels einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) in der Vakuumeinrichtung 5 erzeugt wird, so dass ein nahezu luftleerer Strang aus ungetränkten Fasern 22 mit einem Formkern 25 die Vakuumeinrichtung 5 verlässt und in die Injektionseinrichtung 6 gezogen wird. In der Injektionseinrichtung 6 erfolgt die Imprägnierung des nahezu luftleeren Strangs aus ungetränkten Fasern 22 mit Matrixmaterial 230. Die Injektionseinrichtung 6 verlässt ein vollständig imprägnierter FKV-Rohling 23, auf dessen Oberfläche in der Ummantelungseinrichtung 7 eine luftdichte Ummantelung, hier dargestellt als eine Folie 711, angeordnet wird. Der eine ummantelte Oberfläche aufweisende FKV-Rohling 24 wird weiteren, hier nicht dargestellten Verfahrensschritten zugeführt.
3a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vakuumeinrichtung 5 mit mehreren hintereinander angeordneten Vakuumkammern 52 im Querschnitt in Pultrusionsrichtung 11, wobei die Vakuumeinrichtung 5 eine Kaskade stationärer Ringelemente 53 umfasst, die modular ausgeführt ist. Die Komponenten der Vakuumeinrichtung 5 sind im Wesentlichen symmetrisch zu einer Längsebene durch die Mittelachse des Strangs 2 in Pultrusionsrichtung 11 angeordnet, so dass zueinander symmetrische Komponenten der Vakuumeinrichtung 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur einmal mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Wie in allen Ausführungsbeispielen der Vakuumeinrichtung tritt der Strang 2 als Strang aus ungetränkten Fasern 21 in die Vakuumeinrichtung 5 ein und verlässt diese als nahezu luftleerer Strang aus ungetränkten Fasern 22. Jedes stationäre Ringelement 53 weist einen Bereich 531 auf, in dem Kontakt zwischen seiner inneren Oberfläche 532 (für eine bessere Übersicht sind in 3a der Kontaktbereich 531 und die innere Oberfläche 532 nur am ersten stationären Ringelement 53 bezeichnet) und dem Strang 2 besteht, so dass eine luftdichte Abdichtung zwischen den Vakuumkammern 52 erfolgt. Der Kontaktbereich 531 des ersten stationären Ringelements 53 dient zudem als Abdichtung des Strangkanals der Vakuumeinrichtung 5 gegenüber der Umgebung. Die innere Oberfläche 532 eines stationären Ringelements 53 ist bevorzugt reibungsminimierend gestaltet, da der Kontaktbereich 531 der Reibung mit dem im Strangkanal bewegten Strang 2 ausgesetzt ist. Durch die reibungsminimierende Gestaltung kann beispielsweise eine Gleitwirkung zwischen Strang 2 und innerer Oberfläche 532 erzielt und/oder die Kontaktfläche zwischen Strang 2 und innerer Oberfläche 532 minimiert werden, wodurch Faserschädigungen sowie die Abrasion der inneren Oberfläche 532 reduziert werden. Zur reibungsminimierenden Gestaltung kann beispielsweise durch Sandstrahl- oder Beschichtungsprozesse die innere Oberfläche auf mikroskopischer Skala halbkugelförmig ausgeführt sein (nicht dargestellt). Des Weiteren sind jeweils zwei hintereinander angeordnete stationäre Ringelemente 53 mittels eines O-Rings 533 und einer Flansch- oder anderen geeigneten Verbindung, hier mittels schematisch dargestellter Spannelemente 535, luftdicht gegenüber der Umgebung miteinander verbunden. Zwischen der Vakuumeinrichtung 5 und der nachfolgend angeordneten Injektionseinrichtung (nicht dargestellt) besteht eine gegenüber der Umgebung luftdichte Verbindung über das mit einem O-Ring 511 gedichtete Verbindungselement 51, das beispielsweise einen Flansch aufweist. Auch das Verbindungselement 51 weist einen Kontaktbereich 512 auf, durch den die letzte Vakuumkammer 52 gegen die Injektionseinrichtung (nicht dargestellt) luftdicht abgedichtet ist.
Jede Vakuumkammer 52 weist einen separaten Anschluss 54 für jeweils eine Vakuumpumpe auf. Es können also Vakuumpumpen unterschiedlichen Typs und/oder unterschiedlicher Saugleistungen angeschlossen und unterschiedliche Absolutdruckwerte in den einzelnen Kammern 52 erzielt werden, wobei der Absolutdruck in Pultrusionsrichtung 11 abnimmt. Ebenso ist es möglich, dass eine oder mehrere der hier als Vakuumkammern 52 dargestellten Kammern als Totkammer ausgeführt ist, indem nach einem einmaligen und nur in bestimmten Intervallen zu wiederholenden Auspumpen von Luft in der Totkammer der Anschluss 54 beispielsweise mittels eines Blindflanschs luftdicht verschlossen wird.
Die Abmessungen 534 des Strangkanals im Kontaktbereich 531 senkrecht zur Pultrusionsrichtung 11 sind zumindest an den in Pultrusionsrichtung 11 letzten beiden stationären Ringelementen 53 kleiner als die korrespondierenden Abmessungen 26, hier also kleiner als der Durchmesser, des Strangs 2 gewählt. Die Abdichtung der letzten Vakuumkammer 52 ist damit besonders gut, so dass ein besonders niedriger Absolutdruckwert in dieser Vakuumkammer 52 erzielt werden kann. Die Abmessungen 534 der vorangehenden stationären Ringelemente 53 sind etwa gleich oder etwas größer als die korrespondierenden Abmessungen 26 des Strangs gewählt, um die Reibung des Strangs an der inneren Oberfläche 532 eines stationären Ringelements geringer zu halten.
Die 3b zeigt eine Vakuumeinrichtung 5 als modular ausgeführte Kaskade stationärer Ringelemente 53 ähnlich der in 3a, wobei an der in 3b gezeigten Ausführungsform Antriebselemente 500 angeordnet sind, um eine Rotation der Vakuumeinrichtung 5 um die Strangachse 27 durchzuführen. Der Strang 2 ist rotationssymmetrisch um die Strangachse 27 ausgebildet. Durch die Rotation wird ein mögliches Aufstauen der Fasern an der Oberfläche des Strangs 2 im Eintrittsbereich in den jeweiligen Kontaktbereich 531 der stationären Ringelemente 53 verhindert. Zugang zu den Vakuumkammern 52, deren Begrenzung 532 rotiert, für den Abpumpvorgang mittels einer stationären Vakuumpumpe (nicht dargestellt), besteht über Drehdurchführungen 541, die an einer umlaufenden Nut 542 angeordnet sind.
In 3b ist zwischen zwei Vakuumkammern 52 eine Totkammer 520 angeordnet, die keinen Zugang zu einer Vakuumpumpe aufweist. Die Totkammer 520 wirkt durch Verlängerung des Strömungswegs im Sinne einer Labyrinthdichtung, so dass vorteilhaft in der in Pultrusionsrichtung 11 hinteren Vakuumkammer 52 ein niedrigerer Absolutdruck erreicht werden kann.
Die 3c zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vakuumeinrichtung 5 als Kaskade stationärer Ringelemente 53 ähnlich der Darstellungen in 3a und 3b. Die Vakuumeinrichtung 5 ist nicht modular, sondern integral ausgeführt. Die Fertigung kann beispielsweise durch Ausdrehen oder Erodieren aus Vollmaterial erfolgen, so dass vorteilhaft keine, insbesondere keine axialen, Trennfugen im Strangkanal angeordnet sind, die zu Faserschädigungen führen können.
Wie das Ausführungsbeispiel der 3b, weist die gezeigte Vakuumeinrichtung 5 Elemente 500, 541, 542 auf, durch die die Vakuumeinrichtung 5 um die Strangachse 27 rotieren kann.
Aufgrund der Reibung im Eintrittsbereich in den Kontaktbereich wird die Rotationsbewegung anteilig an die Fasern an der Oberfläche des Strangs übertragen. Aus der Translationsbewegung und der Rotationsbewegung resultiert eine Kraft auf die Fasern an der Oberfläche des Strangs. Aufgrund dieser resultierenden Kraft erfolgt eine leichte, die Einschnürung des Strangs fördernde und damit den Durchmesser des Strangs verringernde, Verschiebung der Fasern an der Oberfläche des Strangs, wodurch die Fasern unter zusätzliche Zugspannung gestellt werden.
Die einschnürungsfördernde Wirkung der resultierenden Kraft auf eine Faser an der Strangoberfläche ist außer in dem Fall gegeben, in dem die Richtung der resultierenden Kraft mit dem Faserrichtungsvektor in dem jeweils zugehörigen definierten Punkt des Eintrittsbereichs in den Kontaktbereich übereinstimmt. Der Faserrichtungsvektor entspricht dabei dem Einheitsvektor, dessen Richtung die Orientierung der Fasern an der Strangoberfläche wiedergibt. Die Rotationsgeschwindigkeit ist also bevorzugt so zu wählen, dass der oben beschriebene Fall zumindest in der Mehrzahl der definierten Punkte nicht eintritt; besonders bevorzugt ist die Rotationsgeschwindigkeit so zu wählen, dass der oben beschriebene Fall für mehr als 80% der definierten Punkte nicht eintritt. Aus dem für die Wahl der Rotationsgeschwindigkeit verfügbaren Bereich, der alle Geschwindigkeiten umfasst, aufgrund derer eine resultierende Kraft auf die Fasern an der Strangoberfläche auftritt, ist diese Rotationsgeschwindigkeit bzw. sind diese Rotationsgeschwindigkeiten auszuklammern.
Die Verringerung des Durchmessers des Strangs aufgrund der resultierenden Kraft ist dabei sehr klein gegenüber dem Durchmesser des Strangs. Nach Verlassen des Kontaktbereichs wird die Verschiebung der Fasern durch Rückstellkräfte aufgrund der Zugspannung nahezu vollständig wieder aufgehoben. Die Soll-Geometrie des Strangs verändert sich durch die Rotationsbewegung also zumindest nicht in unzulässigem Maße.
Die beschriebene Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass ein Aufstauen von Fasern an der Oberfläche des Strangs im Eintrittsbereich in die Elemente der Injektionseinrichtung, die einen Kontaktbereich mit dem Strang aufweisen, zumindest deutlich vermindert wird.
Die 4a und 4b zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine Vakuumeinrichtung 5‘ mit mehreren hintereinander angeordneten Vakuumkammern 52‘ in einem luftdichten Gehäuse 55‘ mit mehreren Anschlusselementen, z. B. Kleinflanschen, für Vakuumpumpen 54‘. In 4a ist eine Seitenansicht der Vakuumeinrichtung 5‘ in Pultrusionsrichtung 11 dargestellt, wobei die Seitenwand des Gehäuses 55‘ entfernt ist, und in 4b der Querschnitt der Vakuumeinrichtung 5‘ senkrecht zur Pultrusionsrichtung 11 bzw. die Draufsicht auf einen Schnitt durch die Vakuumeinrichtung 5‘ entlang der in 4a gezeigten Linie A-A. Die Komponenten der Vakuumeinrichtung 5‘ sind im Wesentlichen symmetrisch zu einer Längsebene durch die Mittelachse des Strangs 2 in Pultrusionsrichtung 11 angeordnet, so dass zueinander symmetrische Komponenten der Vakuumeinrichtung 5‘ aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur einmal mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Zur luftdichten Abdichtung der Vakuumkammern 52‘ gegeneinander und der ersten Vakuumkammer 52‘ gegenüber der Umgebung der Vakuumeinrichtung 5‘ weist die Vakuumeinrichtung 5‘ drehbar auf jeweils einer zum Gehäuse 55‘ abgedichteten Achse 561‘ gelagerte Rollen 56‘ auf, die eine garnrollenartige Form haben. Wie der in 4b gezeigten Draufsicht auf den Kontaktbereich 562‘ zu entnehmen, umschließt der Kontaktbereich 562‘ einer Rolle 56‘ mit dem Strang 2 die betreffende Oberfläche des Strangs 2 halbschalenförmig. Der Kontaktbereich 562‘ bildet die Dichtfläche zwischen Rolle 56‘ und Strang 2. Durch Rollreibung im Kontaktbereich 562‘ aufgrund der gleichförmigen Bewegung des Strangs 2 in Pultrusionsrichtung 11 rotiert jede der Rollen 56‘ um ihre Achse 561‘. Im Kontaktbereich 563‘ zwischen zwei Rollen 56‘ rollen diese zwei Rollen 56‘, da sie einen entgegengesetzten Drehsinn aufweisen, gegeneinander ab, wobei der Kontaktbereich 563‘ die Dichtfläche zwischen den beiden Rollen 56‘ bildet.
Am Gehäuse 55‘ der Vakuumeinrichtung 5‘ sind stationäre Dichtungselemente 57‘ fest und luftdicht angeordnet. Ein stationäres Dichtungselement 57‘ weist einen Kontaktbereich 571‘ zu jeweils einer Rolle 56‘ auf, wobei die Rolle 56‘ im Kontaktbereich 571‘ gegen das stationäre Dichtungselement 57‘ abrollt. Die Abdichtung einer Rolle 56‘ gegenüber dem Gehäuse 55‘ erfolgt im Kontaktbereich 564‘ zwischen Rolle 56‘ und Gehäuse 55‘, wobei die Oberflächen von Rolle 56‘ und Gehäuse 55‘ im Kontaktbereich 564‘ geschliffen und poliert sind und mit vakuumgeeigneten Dichtmitteln, beispielsweise Vakuumfetten, belegt sind.
Die Abdichtung der Vakuumeinrichtung 5‘ zur Injektionseinrichtung (nicht dargestellt) erfolgt über das Verbindungselement 51‘, das einen O-Ring 511‘ zur Abdichtung aufweist.
Die 5a und 5b zeigen ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel für eine Vakuumeinrichtung 5‘‘ mit einer Vakuumkammer 52‘‘ in einem luftdichten Gehäuse 55‘‘ mit einem Anschlusselement, z. B. einem Kleinflansch, für eine Vakuumpumpe 54‘‘. In 5a ist eine Seitenansicht der Vakuumeinrichtung 5‘‘ in Pultrusionsrichtung 11 dargestellt, wobei die Seitenwand des Gehäuses 55‘‘ entfernt ist, und in 5b der Querschnitt der Vakuumeinrichtung 5‘‘ senkrecht zur Pultrusionsrichtung 11 bzw. die Draufsicht auf einen Schnitt durch die Vakuumeinrichtung 5‘‘ entlang der in 5a gezeigten Linie A-A. Die Komponenten der Vakuumeinrichtung 5‘‘ sind im Wesentlichen symmetrisch zu einer Längsebene durch die Mittelachse des Strangs 2 in Pultrusionsrichtung 11 angeordnet, so dass zueinander symmetrische Komponenten der Vakuumeinrichtung 5‘‘ aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur einmal mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Die Vakuumeinrichtung 5‘‘ weist zwei Anordnungen 58‘‘ aus jeweils zwei in Pultrusionsrichtung 11 hintereinander angeordneten rotierenden Rollen 56‘‘ auf, die über ein Dichtungsband 581‘‘ mit einer Antriebsrolle 582‘‘ und einer Spannrolle 583‘‘ förderbandartig miteinander verbunden sind. Mittels der Antriebsrolle 582‘‘ kann das Dichtungsband 581‘‘ in der förderbandartigen Anordnung 58‘‘ aktiv in Bewegung gesetzt werden, wobei sich der am Strang 2 angeordnete Abschnitt des Dichtungsbands 581‘‘ in Pultrusionsrichtung 11 bewegt. Die Vakuumkammer 52‘‘ befindet sich zwischen den zwei hintereinander angeordneten rotierenden Rollen 56‘‘ der beiden förderbandartigen Anordnungen 58‘‘. Um eine zusätzliche Vakuumkammer vor oder hinter der bestehenden Vakuumkammer 56‘‘ anzuordnen, ist eine zusätzliche rotierende Rolle pro förderbandartiger Anordnung 58‘‘ vor oder hinter einer der beiden pro Anordnung 58‘‘ vorhandenen rotierenden Rollen 56‘‘ anzuordnen.
Die auf einer Achse 561‘‘ drehbar gelagerten rotierenden Rollen 56‘‘ sind rotationssymmetrisch und haben eine garnrollenartige Form. Jeweils zwei rotierende Rollen 56‘‘ sind halbschalenförmig zueinander angeordnet. Im Kontaktbereich 562‘‘ der rotierenden Rollen 56‘‘ zum Strang und im Kontaktbereich 563‘‘ der rotierenden Rollen 56‘‘ untereinander sind die Dichtungsbänder 581‘‘ der Anordnungen 58‘‘ angeordnet. Ein dichtflächebildender Kontakt zwischen Strang 2 und den rotierenden Rollen 56‘‘ sowie zwischen zwei rotierenden Rollen 56‘‘ besteht demnach mittelbar über das Dichtungsband 581‘‘.
In der Vakuumkammer 52‘‘ besteht kein dichtender Kontakt zwischen den Dichtungsbändern 581‘‘ der beiden förderbandartigen Anordnungen 58‘‘, so dass in der Vakuumkammer 52‘‘ Luft aus dem Strang entweichen kann.
Jede rotierende Rolle 56‘‘ in den förderbandartigen Anordnungen 58‘‘ rollt dichtend gegen eine auf einer Achse 591‘‘ drehbar gelagerten Gegenrolle 59‘‘ ab, so dass im Kontaktbereich 565‘‘ eine Dichtfläche zwischen dem an der rotierenden Rolle 56‘‘ angeordneten Dichtungsband 581‘‘ und der Gegenrolle 59‘‘ besteht.
Am luftdichten Gehäuse 55‘‘ der Vakuumeinrichtung 5‘‘ sind stationäre Dichtungselemente 57‘‘ fest und luftdicht angeordnet. Ein stationäres Dichtungselement 57‘‘ weist einen Kontaktbereich 571‘‘ zu jeweils einer Gegenrolle 59‘‘ auf, wobei die Gegenrolle 59‘‘ im Kontaktbereich 571‘‘ gegen das stationäre Dichtungselement 57‘‘ abrollt. Die Abdichtung der Rollen 56‘‘, 582‘‘, 583‘‘, 59‘‘ gegenüber dem Gehäuse 55‘‘ erfolgt im Kontaktbereich 564‘‘, 592‘‘ (der Kontaktbereich zwischen den Antriebs- und den Spannrollen und dem Gehäuse ist nicht dargestellt) zwischen den Rollen 56‘‘, 582‘‘, 583‘‘, 59‘‘ und dem Gehäuse 55‘‘, wobei die Oberflächen der Rollen 56‘‘, 582‘‘, 583‘‘, 59‘‘ und des Gehäuses 55‘‘ im Kontaktbereich 564‘‘, 592‘‘ geschliffen und poliert sind und mit vakuumgeeigneten Dichtmitteln, beispielsweise Vakuumfetten, belegt sind.
Die Abdichtung der Vakuumeinrichtung 5‘‘ zur Injektionseinrichtung (nicht dargestellt) erfolgt über das Verbindungselement 51‘‘, das einen O-Ring 511‘‘ zur Abdichtung aufweist.
6a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, integral ausgeführten Injektionseinrichtung 6 im Querschnitt in Pultrusionsrichtung 11. Die Komponenten der Injektionseinrichtung 6 sind im Wesentlichen symmetrisch zu einer Längsebene durch die Mittelachse des Strangs 2 in Pultrusionsrichtung 11 angeordnet, so dass zueinander symmetrische Komponenten der Injektionseinrichtung 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur einmal mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Der Strang 2 wird der Injektionseinrichtung 6, bevorzugt als nahezu luftleerer Strang aus ungetränkten Fasern 22, zugeführt und verlässt die Injektionseinrichtung 6 vollständig mit Matrixmaterial imprägniert als FKV-Rohling 23. Die Injektionseinrichtung 6 weist mehrere hintereinander angeordnete Injektionskammern 61 auf, die jeweils über einen Injektionskanal 611 mit einem Reservoir für Matrixmaterial (nicht dargestellt) verbunden sind. Die Wandung 63 der Injektionseinrichtung 6 ist als ein einstückiges Bauteil, z. B. Gussteil oder Drehteil, ohne Teilungsnähte ausgebildet. Die Injektionskammern 61 sind voneinander durch Kontaktbereiche 631 der Wandung 63 mit dem Strang 2 getrennt. Aufgrund dessen kann Matrixmaterial unter unterschiedlichen Absolutdrücken in die einzelnen Injektionskammern 61 injiziert werden, wobei im Allgemeinen der Absolutdruck in Pultrusionsrichtung 11 von einer Injektionskammer 61 zur in Pultrusionsrichtung 11 nächsten Injektionskammer 61 steigt. Dabei ist es zweckmäßig, dass der Absolutdruck der Injektion in die erste Injektionskammer 61 niedrig genug gewählt wird, um ein Eindringen des Matrixmaterials in eine Vakuumeinrichtung (nicht dargestellt), die vor der Injektionseinrichtung 6 angeordnet sein kann und mit dieser über eine mit einem O-Ring 511 versehene Dichtung verbunden ist, aufgrund des Druckunterschieds zu verhindern.
Aufgrund der in den Kontaktbereichen 631 herrschenden Reibung ist der Strangkanal in den Kontaktbereichen 631 und sowie auf der gesamten inneren Oberfläche 632 der Wandung 63 mit einer vorzugsweise unterbrechungsfreien Verschleißschutzschicht (nicht dargestellt) belegt.
An der Injektionseinrichtung 6 sind mehrere Temperierungselemente 64 angeordnet, um die temperaturabhängige Viskosität des Matrixmaterials in gewünschter Weise beeinflussen zu können. Die Temperierungselemente können dabei der Heizung oder der Kühlung dienen und z. B. Widerstandsheizer oder Heizpatronen oder Kühlmittelkanäle oder elektrische Kühlelemente sein.
Die Injektionseinrichtung 6 ist mittels eines O-Rings 600 und einem geeigneten, z. B. Flansch-, Verbindungselement 60 gegenüber einer sich in Pultrusionsrichtung 11 anschließenden Ummantelungseinrichtung (nicht dargestellt) abgedichtet.
Die Fertigung einer integral ausgeführten Injektionseinrichtung 6 kann beispielsweise durch Erodieren oder Ausdrehen von Vollmaterial erfolgen. Für die Reinigung können beispielsweise Reinigungsbäder eingesetzt werden.
6b zeigt eine erfindungsgemäße, integral ausgeführte Injektionseinrichtung 6 ähnlich der der 6a, wobei an der Injektionseinrichtung 6 Antriebselemente 65 angeordnet, um eine Rotation der Injektionseinrichtung 6 um die Strangachse 27 durchführen zu können. Der Strang 2 ist rotationssymmetrisch um die Strangachse 27 ausgebildet. Durch die Rotation wird ein mögliches Aufstauen der Fasern an der Oberfläche des Strangs 2 im Eintrittsbereich in den jeweiligen Kontaktbereich 631 der inneren Oberfläche 632 mit dem Strang 2 verhindert. Die Verbindung des stationären Matrixreservoirs (nicht dargestellt) zu den mitrotierenden Injektionskanälen 611 und Abtropfkanälen 621, die an den Abtropfkammern 62 angeordnet sind, wird über Drehdurchführungen 660, die an einer umlaufenden Nut 661 angeordnet sind, realisiert. Die Übertragung der elektrischen Leistung auf die Temperierungselemente 64 in Form von elektrischen Heizern erfolgt beispielsweise mittels Schleifkontakten 662.
Aufgrund der Reibung im Eintrittsbereich in den Kontaktbereich wird die Rotationsbewegung anteilig an die Fasern an der Oberfläche des Strangs übertragen. Aus der Translationsbewegung und der Rotationsbewegung resultiert eine Kraft auf die Fasern an der Oberfläche des Strangs. Aufgrund dieser resultierenden Kraft erfolgt eine leichte, die Einschnürung des Strangs fördernde und damit den Durchmesser des Strangs verringernde, Verschiebung der Fasern an der Oberfläche des Strangs, wodurch die Fasern unter zusätzliche Zugspannung gestellt werden.
Die einschnürungsfördernde Wirkung der resultierenden Kraft auf eine Faser an der Strangoberfläche ist außer in dem Fall gegeben, in dem die Richtung der resultierenden Kraft mit dem Faserrichtungsvektor in dem jeweils zugehörigen definierten Punkt des Eintrittsbereichs in den Kontaktbereich übereinstimmt. Der Faserrichtungsvektor entspricht dabei dem Einheitsvektor, dessen Richtung die Orientierung der Fasern an der Strangoberfläche wiedergibt. Die Rotationsgeschwindigkeit ist also bevorzugt so zu wählen, dass der oben beschriebene Fall zumindest in der Mehrzahl der definierten Punkte nicht eintritt; besonders bevorzugt ist die Rotationsgeschwindigkeit so zu wählen, dass der oben beschriebene Fall für mehr als 80% der definierten Punkte nicht eintritt. Aus dem für die Wahl der Rotationsgeschwindigkeit verfügbaren Bereich, der alle Geschwindigkeiten umfasst, aufgrund derer eine resultierende Kraft auf die Fasern an der Strangoberfläche auftritt, ist diese Rotationsgeschwindigkeit bzw. sind diese Rotationsgeschwindigkeiten auszuklammern.
Die Verringerung des Durchmessers des Strangs aufgrund der resultierenden Kraft ist dabei sehr klein gegenüber dem Durchmesser des Strangs. Nach Verlassen des Kontaktbereichs wird die Verschiebung der Fasern durch Rückstellkräfte aufgrund der Zugspannung nahezu vollständig wieder aufgehoben. Die Soll-Geometrie des Strangs verändert sich durch die Rotationsbewegung also zumindest nicht in unzulässigem Maße.
Die beschriebene Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass ein Aufstauen von Fasern an der Oberfläche des Strangs im Eintrittsbereich in die Elemente der Injektionseinrichtung, die einen Kontaktbereich mit dem Strang aufweisen, zumindest deutlich vermindert wird.
7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, modular aufgebauten Injektionseinrichtung 6‘ im Querschnitt in Pultrusionsrichtung 11. Die Komponenten der Injektionseinrichtung 6‘ sind im Wesentlichen symmetrisch zu einer Längsebene durch die Mittelachse des Strangs 2 in Pultrusionsrichtung 11 angeordnet, so dass zueinander symmetrische Komponenten der Injektionseinrichtung 6‘ aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur einmal mit einem Bezugszeichen versehen sind.
Die Injektionseinrichtung 6‘ weist einen modularen Aufbau aus mehreren voneinander getrennten Modulen 67‘, 68‘ auf. Die Anzahl der Module 67‘, 68‘ kann in Abhängigkeit der Prozessparameter des erfindungsgemäßen Verfahrens gewählt und auf einfache Weise angepasst werden. Jeweils zwei Module 67‘ bzw. ein Modul 67‘ und ein Modul 68‘ sind mittels eines O-Rings 670‘ und durch Verspannung der Gesamtheit der Module 67‘, 68‘ mit Spannelementen 69‘ gegenüber der Umgebung der Injektionseinrichtung 6‘ abgedichtet. Die innere Oberfläche 671‘ eines Moduls 67‘ ist dergestalt geformt, dass sich eine Kavität als Injektionskammer 61‘ um den Strang 2 ausbildet. Jede Injektionskammer 61‘ weist Injektionskanäle 611‘ auf, die mit einem Reservoir für Matrixmaterial (nicht dargestellt) verbunden sind. Die innere Oberfläche 681‘ eines Moduls 68‘ ist dergestalt geformt, dass sich eine Kavität als Abtropfkammer 62‘ um den Strang 2 ausbildet. Jede Abtropfkammer 62‘ weist einen Abtropfkanal 621‘ auf, der mit einer Abflussrinne (nicht dargestellt) für überschüssiges Matrixmaterial verbunden ist. Vor und nach der in Anpassung an die Prozessparameter gewählten Anzahl an Injektionsmodulen 67‘ ist jeweils ein Abtropfmodul 68‘ angeordnet. Es ist ebenso möglich, Module in die Anordnung einzufügen, die als Totkammern dienen. An jedem Injektionsmodul 67‘ ist ein Temperierungselement 64‘, z. B. in Form eines elektrischen Heizers, angeordnet, um über eine gezielte Temperatureinstellung die Viskositätseigenschaften des Matrixmaterials zu beeinflussen.
Die Abdichtung der Module 67‘, 68‘ untereinander erfolgt durch Dichtungselemente 672‘, 682‘, beispielsweise Elastomer-Dichtlippen, die sich aufgrund der gerichteten Bewegung des Strangs 2 durch den Strangkanal in Pultrusionsrichtung 11 ausrichten und durch den in den Injektionskammern 67‘ herrschenden positiven Relativdruck dichtend an den Strang 2 gedrückt werden. Die Dichtungselemente 672‘, 682‘ können aufgrund des modularen Aufbaus der Injektionseinrichtung 6‘ auf einfache Weise ausgetauscht werden, falls sie durch Abrasion aufgrund der Bewegung des Strangs 2 verschlissen sind und die Dichtwirkung nachlässt.
Zu einer vor der Injektionseinrichtung angeordneten Vakuumeinrichtung besteht eine luftdichte Verbindung, die mit dem O-Ring 511 gedichtet ist.
Die 8a und 8b zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Ummantelungseinrichtung 7, wobei die 8a eine Draufsicht und die 8b die in 8a gekennzeichnete Ansicht eines Querschnitts entlang der Linie A-A darstellt. Die Oberfläche des FKV-Rohlings 23 wird durch Einrollen in Folie 711, die von einem achsparallel zum FKV-Rohling 23 angeordneten Folienspeicher 71, der drehbar auf einer Achse 712 gelagert ist, ummantelt. Die Folienzuführung erfolgt über die gesamte Länge des FKV-Rohlings 23; die Breite der Folie 711, also ihre Abmessung parallel zur Achse 712, entspricht mindestens der Länge des FKV-Rohlings 23. Die Folie 711 wird vom Folienspeicher 71 abgezogen und geführt in einen Bereich, in dem mehrere Walzen 72 drehbar angeordnet sind, eingelegt.
Der FKV-Rohling 23 verlässt die Pultrusionsanlage 1‘ vollständig mit Matrixmaterial imprägniert und wird mittels eines Förderbands 80 zur Zuschneideeinrichtung 9, z. B. einer Säge, transportiert und abgelängt. Der FKV-Rohling 23 wird nach dem Ablängen freihängend ebenfalls in den Walzen-Bereich transportiert, und die Folie 711 in einem Teilbereich der Oberfläche des FKV-Rohlings 23 an die Oberfläche gedrückt. Durch Rotation der Walzen 72 mit dem in 7b durch Pfeile dargestellten Drehsinn wird der FKV-Rohling 23 mit dem dargestellten, entgegengesetzten Drehsinn in Rotation versetzt. Der Folienspeicher 71 rotiert ebenso mit diesem, den Walzen 72 entgegengesetzten Drehsinn, so dass die Folie 711 weiter in den Walzen-Bereich eingezogen und vollständig, bis zum Erreichen einer leichten Überlappung, um die Oberfläche des FKV-Rohlings 23 gelegt wird. Um die Überlappung zu versiegeln, kann die Folie 711 z. B. selbstklebend ausgeführt sein. Im Folgenden wird die Folie 711 durch das Werkzeug 73 beschnitten und durch weitere Rotation der Walzen 72 und des FKV-Rohlings 23 faltenfrei und fest auf der Oberfläche des FKV-Rohlings 23 angelegt. Der ummantelte FKV-Rohling wird mittels eines Auswerfers 74 aus dem Walzen-Bereich entfernt.
Bezugszeichenliste

1, 1‘: Pultrusionsanlage
2: Strang
200: Luftblasen
21: Strang aus ungetränkten Fasern
22: Nahezu luftleerer Strang aus ungetränkten Fasern
23: FKV-Rohling
230: Matrixmaterial
24: FKV-Rohling mit Ummantelung
25: Formkern
26: Abmessung des Strangs
27: Strangachse
3: Vorratsbereich
31: Spulenständer
310: Spule
311: Roving
32: Wickelrad
321: Roving
33: Faserbandspule
331: Faserband
4: Führungseinrichtung
5, 5‘, 5‘‘: Vakuumeinrichtung
500: Antriebselement für Rotation
51, 51‘, 51‘‘: Verbindungselement
511, 511‘, 511‘‘: O-Ring
512: Kontaktbereich
513: Abmessung des Strangkanals im Kontaktbereich
52, 52‘, 52‘‘: Vakuumkammer
520: Totkammer
53: Stationäres Ringelement
531: Kontaktbereich zwischen stationärem Ringelement und Strang
532: Innere Oberfläche eines stationären Ringelements
533: O-Ring
534: Abmessung des Strangkanals im Kontaktbereich
535: Spannelement
54, 54‘, 54‘‘: Anschlusselement für Vakuumpumpe
541: Drehdurchführung
542: Nut
55‘, 55‘‘: Gehäuse der Vakuumeinrichtung
56‘, 56‘‘: Rotierende Rolle
561‘, 561‘‘: Achse der rotierenden Rolle
562‘, 562‘‘: Kontaktbereich der rotierenden Rolle zum Strang
563‘, 563‘‘: Kontaktbereich zweier rotierender Rollen
564‘, 564‘‘: Kontaktbereich der rotierenden Rolle zum Gehäuse
565‘‘: Kontaktbereich der rotierenden Rolle zu einer Gegenrolle
57‘, 57‘‘: Stationäres Dichtungselement
571‘, 571‘‘: Kontaktbereich des stationären Dichtungselements zu einer Rolle
58‘‘: Förderbandartige Anordnung
581‘‘: Dichtungsband
582‘‘: Antriebsrolle
583‘‘: Spannrolle
59‘‘: Gegenrolle
591‘‘: Achse der Gegenrolle
592‘‘: Kontaktbereich der Gegenrolle zum Gehäuse
6, 6‘: Injektionseinrichtung
60: Verbindungselement
600, 600‘: O-Ring
61, 61‘: Injektionskammer
611, 611‘: Injektionskanal
62, 62‘: Abtropfkammer
621, 621‘: Abtropfkanal
63: Wandung
631: Kontaktbereich zwischen Wandung und Strang
632: Innere Oberfläche der Wandung
64, 64‘: Temperierungselement
65: Antriebselement für Rotation
660: Drehdurchführung
661: Schleifkontakt
662: Nut
67‘: Injektionsmodul
670‘: O-Ring
671‘: Innere Oberfläche des Injektionsmoduls
672‘: Dichtungselement
68‘: Abtropfmodul
681‘: Innere Oberfläche des Abtropfmoduls
682‘: Dichtungselement
69‘: Spannelement
7: Ummantelungseinrichtung
71: Folienspeicher
711: Folie
712: Achse des Folienspeichers
72: Walzen
73: Werkzeug für Folienbeschnitt
74: Auswerfer
8: Bandabzugseinrichtung
80: Förderband
9: Zuschneideeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1347114 A2 [0004]
US 5073413 A [0005]
JP 05318608 A [0006]
EP 1960184 B1 [0007]
WO 2013/092738 [0008]

Claims

Injektionseinrichtung (6, 6‘) zur Imprägnierung eines Strangs aus Fasern mit Matrixmaterial, aufweisend mindestens eine Injektionskammer (61, 61‘), die dazu ausgebildet ist, dass über mindestens einen Injektionskanal (611, 611‘), der mit einem Reservoir für Matrixmaterial (230) verbunden ist, Matrixmaterial (230) in fließfähigem Zustand in die mindestens eine Injektionskammer (61, 61‘) eingespritzt wird, wobei zumindest am Eintritt des Strangs in die mindestens eine Injektionskammer (61, 61‘) mindestens ein Dichtungselement angeordnet ist, dessen Dichtfläche geeignet ist, den Strang im Bereich des Eintritts in die mindestens eine Injektionskammer (61, 61‘) vollständig zu umfassen.
Injektionseinrichtung (6, 6‘) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Austritt des Strangs aus der mindestens einen Injektionskammer (61, 61‘) mindestens ein Dichtungselement angeordnet ist, dessen Dichtfläche geeignet ist, den Strang im Bereich des Austritts aus der mindestens einen Injektionskammer (61, 61‘) vollständig zu umfassen.
Injektionseinrichtung (6, 6‘) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (6, 6‘) mindestens zwei luftdicht zumindest gegenüber der Umgebung miteinander verbundene Kammern (61, 61‘, 62, 62‘) aufweist.
Injektionseinrichtung (6, 6‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Injektionseinrichtung (6, 6‘) mindestens eine Abtropfkammer (62, 62‘) vor und/oder hinter der mindestens einen Injektionskammer (61, 61‘) und/oder zwischen zwei Kammern (61, 61‘) der Injektionseinrichtung (6, 6‘) angeordnet ist.
Injektionseinrichtung (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (6) als integrales Bauteil ausgeführt ist.
Injektionseinrichtung (6‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (6‘) als modulares Bauteil ausgeführt ist, wobei die Module (67‘, 68‘) der Injektionseinrichtung (6‘) luftdicht zumindest gegenüber der Umgebung miteinander verbunden sind.
Injektionseinrichtung (6, 6‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strangkanal der Injektionseinrichtung (6, 6‘) mit einer Verschleißschutzschicht belegt ist.
Injektionseinrichtung (6, 6‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Injektionseinrichtung (6, 6‘) mindestens ein Temperierungselement (64, 64‘) angeordnet ist.
Injektionseinrichtung (6, 6‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Elemente der Injektionseinrichtung (6), die einen Kontaktbereich (631) mit dem Strang (2) aufweisen, eine Rotationsbewegung um den Strang (2) ausführen, wobei der Strang (2) rotationssymmetrisch um eine Strangachse (27) ausgebildet ist.
Injektionseinrichtung (6, 6‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (6, 6) ohne axiale Trennfuge ausgeführt ist.
Injektionseinrichtung (6, 6‘) nach einem Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (6, 6‘) in Pultrusionsrichtung nach einer Vakuumeinrichtung angeordnet und luftdicht zumindest gegenüber der Umgebung mit dieser verbunden ist.
Injektionseinrichtung (6, 6‘) nach einem Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung (6, 6‘) in Pultrusionsrichtung vor einer Ummantelungseinrichtung (7) angeordnet ist.
Verwendung einer Injektionseinrichtung (6, 6‘) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Pultrusionsanlage und in einem Pultrusionsverfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Rohlingen aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff (23).
Verwendung einer Injektionseinrichtung (6, 6‘) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Pultrusionsverfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Rohlingen aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff (23), wobei das Pultrusionsverfahren zumindest die folgenden Verfahrensschritte aufweist, die in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden: (1) Bereitstellung eines Strangs aus ungetränkten Fasern (21); (2) Zuführung des Strangs aus ungetränkten Fasern (21) zu einer Vakuumeinrichtung (5, 5‘, 5‘‘), aufweisend mindestens eine Vakuumkammer (52, 52‘, 52‘‘); (3) Erzeugung eines negativen Relativdrucks in der mindestens einen Vakuumkammer (52, 52‘, 52‘‘) der Vakuumeinrichtung (5, 5‘, 5‘‘), wodurch Luft aus dem Strang aus ungetränkten Fasern (21) entweicht; (4) Entnahme des nahezu luftleeren Strangs aus ungetränkten Fasern (22) aus der Vakuumeinrichtung (5, 5‘, 5‘‘) und Zuführung des nahezu luftleeren Strangs aus ungetränkten Fasern (22) zu der Injektionseinrichtung (6, 6‘), wobei Vakuumeinrichtung (5, 5‘, 5‘‘) und Injektionseinrichtung (6, 6‘) luftdicht zumindest gegenüber der Umgebung miteinander verbunden sind; (5) Injektion von Matrixmaterial (230) in fließfähigem Zustand in die mindestens eine Injektionskammer (61, 61‘) der Injektionseinrichtung (6, 6‘) und Imprägnierung des Strangs (2) mit dem Matrixmaterial (230); (6) Entnahme des Rohlings aus der Injektionseinrichtung (6, 6‘).
Verwendung einer Injektionseinrichtung (6, 6‘) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Pultrusionsverfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Rohlingen aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff (23) als Vollmaterial oder zur kontinuierlichen Herstellung von Rohlingen aus einem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff (23) als Hohlprofil, wobei zur Herstellung des Hohlprofils ein starrer oder ein flexibler Formkern (25) im Strang (2) angeordnet ist.