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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Injektionsbox für eine Pultrusionsanlage, wobei die Injektionsbox umfasst:
- - ein Gehäuse mit wenigstens einer Faserzuführöffnung zum Zuführen von Fasern, insbesondere Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern;
- - einen an dem Gehäuse vorgesehenen Injektionsanschluss zum Injizieren eines flüssigen Matrixmaterials; und
- - eine an dem Gehäuse vorgesehene Ausgabeöffnung zum Ausgeben der mit dem Matrixmaterial getränkten Fasern an ein Aushärtewerkzeug.
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Pultrusion oder Strangziehen ist ein seit mehreren Jahrzehnten bekanntes Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung endloser, faserverstärkter Kunststoffprofile mit gleichbleibendem Querschnitt. Hierbei werden Fasern, die zu Bündeln zusammengefasst sind, sogenannten Rovings, mit einem duroplastischen oder thermoplastischen Matrixmaterial getränkt und anschließend in einem Aushärtewerkzeug zu einem faserverstärkten Kunststoffprofil ausgehärtet, meist durch eine Wärmebehandlung.
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Bei den gängigsten Pultrusionsanlagen werden die Rovings mittels einer Zieheinheit, einem sogenannten Puller, über Umlenkrollen durch ein offenes Tränkebad gezogen, das mit flüssigem Matrixmaterial gefüllt ist.
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Zur Erzielung eines größeren Durchsatzes sind seit wenigen Jahren jedoch auch Pultrusionsanlagen bekannt, bei denen die Rovings ohne Umlenkung durch eine Injektionsbox gezogen werden. Diese umfasst ein Gehäuse mit wenigstens einer Faserzuführöffnung zum Zuführen der Fasern an einem in Bewegungsrichtung der Fasern vorderen Ende des Gehäuses, sowie einen an dem Gehäuse vorgesehenen Injektionsanschluss zum Injizieren eines flüssigen Matrixmaterials in das Innere der Injektionsbox. Während die Fasern von der Zieheinheit durch die Injektionsbox gezogen werden, werden sie dort mit dem unter Druck stehenden flüssigen Matrixmaterial durchtränkt. Die durchtränkten Faserabschnitte verlassen die Injektionsbox durch eine Ausgabeöffnung an einem in Bewegungsrichtung der Fasern hinteren Ende des Gehäuses, um anschließend in ein Aushärtewerkzeug einzutreten, das üblicherweise eine oder mehrere Wärmekammern umfasst.
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Der bei einer derartigen Pultrusionsanlage erzielbare Durchsatz ist wesentlich durch die maximal wählbare Ziehgeschwindigkeit der Fasern bestimmt, bei denen es sich insbesondere um Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern handeln kann. Diese an der Zieheinheit einzustellende Ziehgeschwindigkeit ist durch das Erfordernis begrenzt, dass die Fasern in der Injektionsbox einen bestimmten Durchtränkungsgrad erreichen müssen. Je nach Fasertyp und gewähltem duroplastischen oder thermoplastischen Matrixmaterial, bspw. Polyurethan oder Epoxidharz, ist die maximal wählbare Ziehgeschwindigkeit der Fasern für eine vorgesehene Massenfertigung nicht groß genug.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Injektionsbox für eine Pultrusionsanlage vorzuschlagen, die die Durchtränkung der Fasern mit Matrixmaterial verbessert und somit eine Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Injektionsbox für eine Pultrusionsanlage dadurch gelöst, dass die Injektionsbox ferner eine Ultraschallvorrichtung umfasst, die dazu ausgelegt ist, das Matrixmaterial im Inneren der Injektionsbox mit Ultraschallwellen zu beaufschlagen.
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Die durch die Ultraschallwellen ausgelösten Schwingungen im flüssigen Matrixmaterial verbessern die Benetzung der Fasern in der Injektionsbox. Das Matrixmaterial wird aufgrund der Ultraschallschwingungen in die Fasern hineingedrückt, so dass die benötigte Durchtränkung schneller erreicht wird. Die benötigte Verweildauer der Fasern in der Injektionsbox fällt somit kürzer aus und die Ziehgeschwindigkeit der Fasern kann erhöht werden, was den Durchsatz der Pultrusionsanlage steigert. Zudem werden die Fasern gleichmäßiger durchtränkt.
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In einer einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Injektionsbox ist vorgesehen, dass die Ultraschallvorrichtung eine einzige Ultraschallsonotrode umfasst.
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Zweckmäßigerweise ist in diesem Fall die Ultraschallsonotrode dem Injektionsanschluss gegenüberliegend vorgesehen. Dies ermöglicht einen leichten Zugang zur Ultraschallsonotrode im Fall von Wartungs- oder Austauscharbeiten.
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In einer verbesserten Ausführungsform hingegen ist vorgesehen, dass die Ultraschallvorrichtung mehrere Ultraschallsonotroden umfasst. Durch eine räumliche Verteilung der Ultraschallsonotroden über die Injektionsbox lässt sich eine gleichmäßige Beaufschlagung des flüssigen Matrixmaterials im Inneren der Injektionsbox mit Ultraschallwellen erzielen.
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In diesem Fall können die mehreren Ultraschallsonotroden an einer Seite des Gehäuses der Injektionsbox in Bewegungsrichtung der Fasern hintereinander angeordnet sein, insbesondere an der dem Injektionsanschluss gegenüberliegenden Seite des Gehäuses. Somit bleibt der leichte Zugang zu den Ultraschallsonotroden im Fall von Wartungs- oder Austauscharbeiten gewahrt.
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Alternativ kann wenigstens eine Ultraschallsonotrode an der dem Injektionsanschluss gegenüberliegenden Seite des Gehäuses und wenigstens eine andere Ultraschallsonotrode an der Seite des Injektionsanschlusses angeordnet sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Ultraschallwellen von verschiedenen Seiten der Injektionsbox aus in das flüssige Matrixmaterial eingeleitet werden.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Ultraschallvorrichtung eine Steuereinheit, die mit einer zentralen Kontrolleinheit der Pultrusionsanlage verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich die Ultraschallbeaufschlagung des Matrixmaterials in der Injektionsbox in die gesamte Prozesssteuerung integrieren.
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Die Erfindung umfasst ferner eine Pultrusionsanlage, umfassend eine erfindungsgemäße Injektionsbox wie vorstehend beschrieben.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur als nicht einschränkendes Beispiel erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 eine schematische Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Injektionsbox mit einer einzigen Ultraschallsonotrode.
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1 zeigt eine Injektionsbox 10 als Teil einer Pultrusionsanlage 12. Von einem in der Figur links nicht dargestellten Gestell mit Faserrollen werden Rovings 14 aus Endlosfasern über eine Vorformeinheit 16 in die Injektionsbox 10 gezogen. Bei der Vorformeinheit 16 kann es sich z. B. um eine Platte mit parallelen Reihen von Löchern handeln, durch die die Rovings 14 hindurch verlaufen, um von dort aus parallel und mit gleichmäßigen vorgegebenen Abständen durch eine Faserzufuhröffnung 18A in ein Gehäuse 18 der Injektionsbox 10 gezogen zu werden.
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Die Zugfunktion wird von einer in der Figur rechts ebenfalls nicht dargestellten Zieheinheit, einem sogenannten Puller, ausgeübt. Die Bewegungsrichtung der Faserrovings 14 ist in 1 von links nach rechts, wie durch Pfeile P angedeutet ist.
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An der Oberseite des Gehäuses 18 ist ein Injektionsanschluss 20 zum Injizieren eines flüssigen Matrixmaterials vorgesehen. Im Inneren des Gehäuses 18 der Injektionsbox 10 werden die Rovings 14 somit unter Druck mit dem flüssigen Matrixmaterial beaufschlagt und durchtränkt. Durch eine Ausgabeöffnung 18B an der in 1 rechten Seite des Gehäuses 18 werden die durchtränkten Rovings 14 aus der Injektionsbox 10 heraus gezogen und treten in ein anschließendes Aushärtewerkzeug 21 ein, bei dem es sich in der Regel um eine Wärmekammer handelt. Die ausgehärteten faserverstärkten Kunststoffprofile verlassen das Aushärtewerkzeug 21 an der in 1 rechten Seite, wie durch den weiteren Pfeil P angedeutet ist.
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Zur Verbesserung der Durchtränkung der Fasern der Rovings 14 ist die Injektionsbox 10 mit einer Ultraschallvorrichtung 22 ausgestattet. Diese umfasst eine Ultraschallsonotrode 24, die im unteren Bereich des Gehäuses 18 der Injektionsbox 10 angeordnet ist, sowie eine Steuereinheit 26, die die Ultraschallsonotrode 24 über eine Steuerleitung 28 steuert, was insbesondere das Einschalten und Ausschalten der Ultraschallsonotrode 24 und gegebenenfalls die Wahl der Ultraschallfrequenz der Ultraschallsonotrode 24 beinhaltet. Zur besseren Erkennbarkeit ist die Ultraschallsonotrode 24 in der schematischen Figur besonders groß dargestellt.
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Die Ultraschallsonotrode 24 beaufschlagt das flüssige Matrixmaterial im Gehäuse 18 mit Ultraschallwellen. Das Matrixmaterial wird somit in Schwingung versetzt und dringt schneller und tiefer in die Fasern der Rovings 14 ein. Die Ziehgeschwindigkeit der Rovings 14 kann somit erhöht werden, was den Durchsatz der Pultrusionsanlage 12 steigert.
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In der in 1 dargestellten einfachen Ausführungsform umfasst die Ultraschallvorrichtung 22 nur eine einzige Ultraschallsonotrode 24, die dem Injektionsanschluss 20 gegenüberliegend angeordnet ist. Dies verbessert die Zugänglichkeit der Ultraschallsonotrode 24 für Wartungs- oder Austauscharbeiten. Die Ultraschallsonotrode 24 kann jedoch auch an der gleichen Seite des Gehäuses 18 vorgesehen sein wie der Injektionsanschluss 20, insbesondere an der Oberseite des Gehäuses 18, damit im Fall von Wartungs- oder Austauscharbeiten flüssiges Matrixmaterial im Gehäuse 18 verbleiben kann und nicht unter dem Gehäuse 18 aufgefangen werden muss.
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Es ist jedoch auch möglich, die Ultraschallsonotrode 24 an einer Wand des Gehäuses 18 anzubringen, die an die Gehäusewand mit dem Injektionsanschluss 20 angrenzt, zum Beispiel die in der Zeichenebene von 1 liegende vordere oder hintere Seitenwand des Gehäuses 18.
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In einer nicht gezeigten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Injektionsbox 10 kann die Ultraschallvorrichtung 22 mehrere Ultraschallsonotroden 24 umfassen, die in verschiedenen Bereichen des Gehäuses 18 angeordnet sind, und die jeweils über zugeordnete Steuerleitungen 28 von der Steuereinheit 26 gesteuert werden. Auf diese Weise ist es möglich, in verschiedenen Bereichen des Gehäuses 18 unterschiedliche Frequenzen und/oder Amplituden der Ultraschallwellen zu wählen, mit denen das flüssige Matrixmaterial in der Injektionsbox 10 beaufschlagt wird, um hierdurch gegebenenfalls die Durchtränkung der Rovings 14 weiter zu verbessern.
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Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit 26 mit einer zentralen Kontrolleinheit der gesamten Pultrusionsanlage 12 verbunden, um die Steuerung der Ultraschallbeaufschlagung des flüssigen Matrixmaterials in die gesamte Prozesssteuerung zu integrieren.
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Die erfindungsgemäße Injektionsbox 10 erzielt in allen Ausführungsformen durch die Verwendung der Ultraschallvorrichtung 22 eine schnellere und gleichmäßigere Durchtränkung der Rovings 14 und erlaubt somit eine Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit. Der Durchsatz der Pultrusionsanlage 12 lässt sich somit für eine Massenfertigung von faserverstärkten Kunststoffprofilen steigern.
