DE102017219774A1

DE102017219774A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Faser-Matrix-Verbund-Profilen mit axial rotierendem Querschnitt und einstellbarer Faserorientierung

Info

Publication number: DE102017219774A1
Application number: DE102017219774.9A
Authority: DE
Inventors: Hubert Jäger; Daniel Wohlfahrt; Nico Weckend; Bernhard Witschel; Christian Garthaus
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Leichtbau Zentrum Sachsen GmbH
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faser-Matrix-Verbund-Profilen (32) mit axial rotierendem Querschnitt, eine Anlage (1) zu deren Herstellung, ein Faser-Matrix-Verbund-Profil (32) mit axial rotierendem Querschnitt sowie die Verwendung von Verfahren, Anlage (1) und Faser-Matrix-Verbund-Profil (32). Die Formgebung des Faser-Matrix-Verbund-Profils (32) erfolgt mittels einer Formgebungseinrichtung (6), deren Innenkontur die Negativform des axial rotierenden Querschnitts des Faser-Matrix-Verbund-Profils (32) darstellt, und zumindest die Faserzuführung erfolgt mittels einer rotierenden Faserzuführungseinrichtung (2) sowie das Abziehen mittels einer rotierenden Abzugseinrichtung (7), wobei die Rotation der Faserzuführungseinrichtung (2) und der Abzugseinrichtung (7) um die Längsachse (321) des Faser-Matrix-Verbund-Profils (32) ausgeführt wird. Das erfindungsgemäße Faser-Matrix-Verbund-Profil erlaubt eine formschlüssige Anbindung an und eine Sicherung und Verankerung in anderen Werkstücken, insbesondere in Beton, und zeigt aufgrund der einstellbaren Faserorientierung ein definiertes und anpassbares Lastverhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faser-Matrix-Verbund-Profilen (FMV-Profil) mit axial rotierendem Querschnitt, eine Anlage zu deren Herstellung, ein Faser-Matrix-Verbund-Profil mit axial rotierendem Querschnitt sowie die Verwendung von Verfahren, Anlage und FMV-Profil.
Zur kontinuierlichen Fertigung (Endlosfertigung) von Profilen aus faserverstärkten Verbund-Werkstoffen, bei denen Verstärkungsfasern in eine organische oder anorganische Matrix eingebettet sind (Faser-Matrix-Verbund, FMV) kann das auch als „Strangziehen“ aus dem Stand der Technik bekannte Pultrusionsverfahren eingesetzt werden. Mittels des Pultrusionsverfahrens können endlosfaserverstärkte Profile mit unterschiedlichen Querschnitten, z. B. mit Kreisquerschnitt oder in C-, L-, T- oder H-Form etc., gefertigt werden. Im klassischen Pultrusionsverfahren können allerdings nur Profile mit über die gesamte Länge konstanten Querschnitten und zumeist geradlinig axial ausgerichteter Faserorientierung hergestellt werden. Zur formschlüssigen axialen Sicherung von Anbindungselementen muss das Profil daher anschließend an den Pultrusionsprozess bearbeitet werden. Besondere Relevanz weist die formschlüssige Anbindung von FMV-Profilen an mineralische Baustoffe zur sicheren Verankerung und Kraftübertragung auf, im speziellen für den Einsatz von Glas- oder Carbonfaserstäben als Bewehrung in Beton. Insbesondere die Verwendung von Carbonfaserstäben bietet gegenüber den üblichen Stahlstäben den Vorteil der Nichtkorrosivität, was eine dünnere Bedeckung der Bewehrung mit Beton und somit eine geringere Tragwerksmasse ermöglicht.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, die einen Beitrag zur Lösung des beschriebenen Problems leisten können.
Eine Realisierung axialer Formschlüsse durch nachträgliche mechanische Bearbeitung oder Umformung des Profils oder stoff- und/oder kraftschlüssige Anbindung ist aufwändig und führt zur Erhöhung der Fertigungskosten und der Taktzeiten.
Ein nachträgliches Verdrillen von faserverstärkten Profilen mit thermoplastischer Matrix ist aus der WO 2008/076400 A2 bekannt. In der WO 02/066762 A1 wird die Herstellung von kreuz- oder sternförmigen faserverstärkten Profilen beschrieben, die nach der Herstellung im verformbaren Zustand, bei duroplastischer Matrix z. B. vor der Konsolidierung und Aushärtung, verdrillt werden. Auch diese beiden Verfahren sind durch zusätzliche Fertigungsschritte gekennzeichnet, die sich nachteilig auf Fertigungskosten und Taktzeiten auswirken.
In der WO 89/00493 sind langgezogene Werkstücke aus Polymeren mit orientierten Fibrillen beschrieben, deren Oberfläche schraubenförmig gestaltet wird, wobei die Formgebung in einer Matrize mit Spiralnuten, die auch rotierend ausgeführt sein kann, durchgeführt wird.
Aus der US 6 612 085 B2 sind Bewehrungsstäbe aus Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoffen mit thermoplastischer Matrix bekannt, die zur mechanischen Anbindung an den Beton Hinterschnitte in axialer Richtung, wie Wölbungen, Krümmungen oder andere Querschnittsveränderungen, entlang ihrer Länge aufweisen. Eine Ausführung umfasst verdrillte Bewehrungsstäbe mit mehreckigem, axial rotierendem Querschnitt. Zur Herstellung dieser Ausführungsform wird angegeben, dass ein Profil mit beliebigem, mehreckigem Querschnitt pultrudiert und entweder durch Rotation des Profils nach Austritt aus der Matrize oder durch Rotation der Matrize verdrallt werden kann. Dieses Herstellungsverfahren hat den Nachteil, dass keine definierte Orientierung der Verstärkungsfasern über die Profillänge und somit auch keine definierte Kraftübertragung mittels des Profils einstellbar ist. Durch die Rotation der Matrize kann es zu einem unerwünschten Verdrillen der Verstärkungsfasern in sich oder untereinander kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die aufgeführten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Anlage anzugeben, mittels dessen bzw. derer Profile aus einem FMV-Werkstoff mit einem eine formschlüssige Konturierung bietenden, axial rotierenden Querschnitt und definierter Faserorientierung hergestellt werden können, ohne dass Nacharbeiten am Profil notwendig sind. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes FMV-Profil zu entwickeln.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein FMV-Profil mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere Pultrusionsverfahren, zur Herstellung eines FMV-Profils mit axial rotierendem Querschnitt weist zumindest die Verfahrensschritte Faserzuführung, Formgebung, Abziehen und Ablängen auf. Erfindungsgemäß erfolgt die Formgebung des FMV-Profils mittels einer Formgebungseinheit, deren Innenkontur die Negativform des axial rotierenden Querschnitts des FMV-Profils darstellt. Mit anderen Worten ist der axial rotierende Querschnitt des FMV-Profils als Hohlraum in der Formgebungseinrichtung abgebildet. Des Weiteren erfolgt erfindungsgemäß die Faserzuführung mittels einer rotierenden Faserzuführungseinrichtung und das Abziehen mittels einer rotierenden Abzugseinrichtung, wobei die Rotationsachse der Faserzuführungseinrichtung und die der Abzugseinrichtung jeweils der Längsachse des FMV-Profils entsprechen, so dass die Rotation im Folgenden auch als „axial“ bezeichnet wird.
Ein Profil mit axial rotierendem Querschnitt weist im Sinne der Erfindung einen nicht-kreisrunden Querschnitt auf, wobei der Flächeninhalt des Querschnitts über die Länge des Profils gleich bleibt, jedoch die Form des Querschnitts, also seine Außenkontur, eine kontinuierliche Rotation um die Längsachse beschreibt. Das Profil kann dabei jeden beliebigen nicht-kreisrunden Querschnitt aufweisen, dessen axiale Rotation über einen Formschluss eine sichere Anbindung an ein anderes Element gewährleisten kann, insbesondere durch das Aufweisen von Hinterschnitten in axialer Richtung. „Axial“ bzw. „in axialer Richtung“ beschreibt dabei im Sinne der Erfindung jeweils eine Richtung, die parallel zur Richtung der Längsachse des Profils ist.
Beispielsweise kann ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes FMV-Profil einen polygonalen Querschnitt aufweisen, wobei die Ecken des Polygons eine Helix um die Längsachse des FMV-Profils beschreiben.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert darauf, dass durch eine axiale Rotation mit einstellbarer Geschwindigkeit bei der Faserzuführung und beim Abziehen des FMV-Profils nach der Formgebung die Faserorientierung in dem mittels der Formgebungseinrichtung mit einem axial rotierenden Querschnitt versehenen FMV-Profil definiert einstellbar ist. Für die Faserorientierung maßgeblich sind dabei insbesondere das Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeit der Faserzuführungseinrichtung zur Rotationsgeschwindigkeit der Abzugseinrichtung sowie die Rotationsrichtungen der Faserzuführungseinrichtung und der Abzugseinrichtung.
Vorteilhaft erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von FMV-Profilen, die zum einen aufgrund des axial rotierenden Querschnitts eine formschlüssige Anbindung an und eine Sicherung und Verankerung in anderen Werkstücken erlauben, und die zum anderen aufgrund der einstellbaren Faserorientierung ein definiertes und anpassbares Lastverhalten zeigen. Eine nachträgliche Oberflächenbehandlung der erfindungsgemäßen FMV-Profile zur weiteren Verbesserung der Anbindung, insbesondere an mineralische Baustoffe, z. B. durch Besanden der Oberfläche, ist möglich.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Herstellung von FMV-Profilen mit thermoplastischer Matrix beschränkt, sondern es können zur Herstellung eines FMV-Profils mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens organische Matrixmaterialien, wie duroplastische oder thermoplastische oder elastomere Matrixmaterialien, oder anorganische Matrixmaterialien, wie metallische oder keramische oder mineralische Matrixmaterialien, oder eine Kombination aus organischen oder anorganischen Matrixmaterialien eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die Endlosfertigung von FMV-Profilen mit axial rotierendem Querschnitt geeignet. Insbesondere müssen die kontinuierlich gefertigten FMV-Profile mit axial rotierendem Querschnitt nach dem Ablängen nicht nachbearbeitet werden.
Für die Faserzuführung sind alle auch in Pultrusionsverfahren nach Stand der Technik verarbeitbaren Arten von Verstärkungsfasern geeignet, z. B. synthetische Fasern aus Glas, Kohlenstoff, Basalt, Aramid, Kevlar etc. oder natürliche Fasern aus Flachs, Jute, Baumwolle, Hanf, Wolle etc. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zur Verarbeitung von Endlosfasern geeignet.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen ungetränkte, also nicht mit Matrixmaterial versehene, oder vorimprägnierte, also bereits mit Matrixmaterial getränkte, Fasern als Ausgangsmaterial für die Faserzuführung. Der Begriff „Fasern“ kann im Sinne der Erfindung auch alle geeigneten Faserhalbzeuge (Gewebe, Matten, Vliese etc.) umfassen. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei unidirektional angeordneten Endlosfasern, insbesondere Rovings, als Ausgangsmaterial für die Faserzuführung.
Vorimprägnierte Fasern, die auch als Faser-Matrix-Halbzeuge bezeichnet werden, werden zumeist als mit duroplastischem oder thermoplastischem Matrixmaterial getränkte Fasern zugeführt. Es können z. B. Prepregs oder Tapes oder Hybridgarne aus Verstärkungs- und Thermoplastfasern Verwendung finden.
Bei Zuführung ungetränkter Fasern erfolgt nach dem Verfahrensschritt der Faserzuführung die Imprägnierung der Fasern mit Matrixmaterial in einer Imprägnierungseinrichtung. Unter „Imprägnierungseinrichtung“ ist dabei eine Einrichtung zu verstehen, in der die Fasern mit Matrixmaterial benetzt werden, beispielsweise ein Harzbad oder eine Abscheideeinrichtung, z. B. zur Chemical Vapour Infiltration. Es können organische oder anorganische Matrixmaterialien, z. B. die oben aufgeführten, verwendet werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Imprägnierung ungetränkter Fasern mit Matrixmaterial mittels einer axial rotierenden Imprägnierungseinrichtung.
Insbesondere bei vorimprägnierten Fasern oder dann, wenn kein Bad mit fließfähigem Matrixmaterial zur Imprägnierung der Fasern verwendet wird, kann vor der Formgebung eine Temperierung erfolgen, durch die das Matrixmaterial, mit dem die Fasern benetzt sind, in einen formbaren Zustand überführt wird. Für die Wahl der Parameter, insbesondere bezüglich Druck und Temperatur, die für die Temperierung zu treffen ist, kann der Fachmann auf den Stand derTechnik zur Verarbeitung des verwendeten Matrixmaterials zurückgreifen.
Aus dem Stand der Technik zur Verarbeitung der verschiedenen Typen von Matrixmaterialien bei der Herstellung von FMV-Bauteilen, insbesondere mittels des Pultrusionsverfahrens, ist der Fachmann ebenfalls ohne weiteres in der Lage abzuleiten, welche Parameter, insbesondere bezüglich Temperatur und Druck, zur Formgebung anzuwenden sind. Die Formgebung beinhaltet insbesondere auch die Überführung des Matrixmaterials in einen im Wesentlichen unverformbaren Zustand. Bei duroplastischem oder elastomerem Matrixmaterial kann die Formgebung insbesondere die Konsolidierung des Matrixmaterials unter erhöhtem Druck und einer über die Vernetzungstemperatur erhöhten Temperatur beinhalten; bei thermoplastischem oder metallischem Matrixmaterial hingegen die Abkühlung unter die Schmelztemperatur, bei keramischem Matrixmaterial einen Sinterprozess.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Herstellung des FMV-Profils mit axial rotierendem Querschnitt aus unidirektional angeordneten Einzelfasern, z. B. Rovings, mit einer Faserorientierung, die über die gesamte Länge des FMV-Profils axial ist, oder mit einer Faserorientierung, die über die gesamte Länge des FMV-Profils einen definiert einstellbaren Winkel zur axialen Faserorientierung aufweist, z. B. einen Winkel, der dem Gangwinkel der axialen Rotation des Querschnitts oder einem anderen Winkel ungleich 0° entspricht.
Eine axiale Faserorientierung bedeutet dabei, dass die Fasern weitgehend parallel zur Längsachse des Profils ausgerichtet sind, also insbesondere nicht eine der axialen Rotation des Querschnitts des FMV-Profils entsprechende Steigung aufweisen.
Sind die Rotationsgeschwindigkeiten sowie die Rotationsrichtungen der Faserzuführungseinrichtung und der Abzugseinrichtung gleich, kann eine axial ausgerichtete Faserverstärkung des FMV-Profils bewirkt werden, die im Wesentlichen keine Verdrillung der Fasern aufweist. Bei voneinander verschiedenen Rotationsgeschwindigkeiten von Faserzuführungseinrichtung und Abzugseinrichtung kann in Abhängigkeit von der relativen Abweichung der Rotationsgeschwindigkeiten voneinander eine definierte Abweichung von der axialen Faserorientierung erzielt werden. Dies ist so zu verstehen, dass zur Umsetzung einer definierten Abweichung von der axialen Faserorientierung zunächst eine relative Abweichung der Rotationsgeschwindigkeiten von Faserzuführungseinrichtung und Abzugseinrichtung definiert eingestellt wird. Wenn die gewünschte Abweichung realisiert ist und konstant bleiben soll, werden die Rotationsgeschwindigkeiten von Faserzuführungseinrichtung und Abzugseinrichtung wieder angeglichen und beibehalten.
Vorteilhaft können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren FMV-Profile mit axial rotierendem Querschnitt hergestellt werden, die aufgrund der einstellbaren Faserorientierung gezielt an Lastpfade anpassbar sind.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt es, die Faserzuführung so zu gestalten, dass ein mittels des Verfahrens hergestelltes FMV-Profil mit axial rotierendem Querschnitt in axialer Richtung und/oder schichtweise, wobei die Schichtung in der Querschnittsebene, d. h. senkrecht zur Längsachse, des FMV-Profils vorliegt und die Schichten radial um die Längsachse des FMV-Profils angeordnet sind, unterschiedliche Faserorientierungen aufweist. Die Faserorientierung kann also über die Profillänge und/oder den Profildurchmesser variierend gestaltet werden.
Bei einer in axialer Richtung variierenden Faserorientierung kann eine aus der Gesamtheit der Verstärkungsfasern beispielhaft herausgegriffene Einzelfaser z. B. in einem bestimmten Abschnitt der Länge des FMV-Profils axial ausgerichtet sein und in mindestens einem anderen Abschnitt der Länge des FMV-Profils einen Winkel zur axialen Orientierung aufweisen, oder die Einzelfaser weist einen Winkel zur axialen Orientierung auf, der sich bezüglich der Länge des Profils kontinuierlich oder abschnittsweise ändert. Eine in axialer Richtung variierende Faserorientierung kann durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt werden, indem zumindest die relative Abweichung der Rotationsgeschwindigkeiten der Faserzuführungseinrichtung und der Abzugseinrichtung voneinander bei der Herstellung eines FMV-Profils mit axial rotierendem Querschnitt variiert wird.
Bei einer schichtweise, d. h. in der Querschnittsebene senkrecht zur Längsachse des FMV-Profils, variierenden Faserorientierung können im Querschnitt des FMV-Profils beispielsweise mindestens eine radial um die Längsachse angeordnete Schicht mit Fasern, die einen ersten Winkel zur axialen Orientierung aufweisen, sowie mindestens eine zweite radial um die Längsachse angeordnete Schicht mit Fasern, die einen zweiten, vom ersten verschiedenen Winkel zur axialen Orientierung aufweisen, vorliegen. Es können auch beispielsweise schichtweise angeordnete Fasern vorliegen, die über die Profillänge eine rechtsgängige Helix um die Längsachse des FMV-Profils sowie Fasern, die eine linksgängige Helix um die Längsachse des FMV-Profils beschreiben, vorliegen. Schichtweise variierende Faserorientierungen können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt werden, indem die Faserzuführung mittels mindestens zweier unabhängig angetriebener Faserständer in der Faserzuführungseinrichtung ausgeführt wird und Faserführung und Abzug so ausgeführt werden, dass die relative Abweichung der Rotationsgeschwindigkeiten der mindestens zwei Faserständer der Faserzuführungseinrichtung von der Rotationsgeschwindigkeit der Abzugseinrichtung voneinander verschieden ist und/oder die Rotationsrichtungen der mindestens zwei Faserständer der Faserzuführungseinrichtung voneinander verschieden sind.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anlage zur Herstellung eines FMV-Profils mit axial rotierendem Querschnitt. Die erfindungsgemäße Anlage weist zumindest eine Faserzuführungseinrichtung, eine Formgebungseinrichtung, eine Abzugseinrichtung und eine Ablängeinrichtung auf, wobei die Innenkontur der Formgebungseinrichtung die Negativform des axial rotierenden Querschnitts des FMV-Profils darstellt, und zumindest die Faserzuführungseinrichtung und die Abzugseinrichtung in Rotation versetzbar sind, wobei die Rotation um die Längsachse des FMV-Profils erfolgt. Die Rotationsgeschwindigkeiten der Faserzuführungseinrichtung und der Abzugseinrichtung sind variabel und definiert einstellbar.
Die erfindungsgemäße Anlage ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Vorteilhaft kann mit der erfindungsgemäßen Anlage ein FMV-Profil mit axial rotierendem Querschnitt hergestellt werden, wobei die Faserorientierung im FMV-Profil definiert einstellbar ist. In Abhängigkeit der relativen Abweichung der Rotationsgeschwindigkeiten der Faserzuführungseinrichtung und der Abzugseinrichtung voneinander kann die Faserorientierung über die gesamte Profillänge axial ausgerichtet sein oder einen Winkel zur axialen Orientierung aufweisen, oder die Faserorientierung kann bezüglich der Profillänge in axialer Richtung abschnittsweise oder kontinuierlich variiert werden.
Die erfindungsgemäße Anlage kann mit jeglichen Arten von Verstärkungsfasern betrieben werden, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind.
Die erfindungsgemäße Anlage ist zur Herstellung von FMV-Profilen mit organischer, z. B. duroplastischer oder thermoplastischer oder elastomerer, Matrix, oder anorganischer, z. B. metallischer oder keramischer oder mineralischer, oder aus beiden kombinierter Matrix geeignet.
Als Ausgangsprodukt zur Herstellung eines FMV-Profils mit axial rotierendem Querschnitt mittels der erfindungsgemäßen Anlage können ungetränkte oder vorimprägnierte Fasern verwendet werden. Bei der Verwendung ungetränkter Fasern ist eine Imprägnierungseinrichtung zur Tränkung der Fasern mit Matrixmaterial nach der Faserzuführungseinrichtung angeordnet.
In einer Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Anlage eine Imprägnierungseinrichtung auf, die in Rotation versetzbar ist, wobei die Rotation um die Längsachse des FMV-Profils erfolgt.
Insbesondere bei vorimprägnierten Fasern oder dann, wenn kein Bad mit fließfähigem Matrixmaterial zur Imprägnierung der Fasern verwendet wird, ist vor der Formgebungseinrichtung eine Temperierungseinrichtung angeordnet, mittels derer das Matrixmaterial, mit dem die Fasern benetzt sind, in einen formbaren Zustand versetzt wird, beispielsweise, indem einthermoplastisches Matrixmaterial auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur und unterhalb seiner Zersetzungstemperatur und ein nicht oder gering polymerisiertes duroplastisches Matrixmaterial auf eine Temperatur oberhalb seiner Erweichungstemperatur und unterhalb seiner Vernetzungstemperatur erwärmt wird. Zur Wahl der Betriebsparameter kann der Fachmann auf den Stand der Technik zurückgreifen.
Dies gilt auch für die Formgebungseinrichtung, die so zu betreiben ist, dass nach Austritt aus der Formgebungseinrichtung das FMV-Profil mit axial rotierendem Querschnitt in einen im Wesentlichen unverformbaren Zustand überführt worden ist.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage umfasstdie Faserzuführungseinrichtung mindestens zwei Faserständer, die in die gleiche Rotationsrichtung oder in gegenläufige Rotationsrichtungen rotieren, wobei die Rotation um die Längsachse des FMV-Profils erfolgt. Vorteilhaft kann mittels dieser Ausführungsform der Anlage ein FMV-Profil hergestellt werden, dessen Faserorientierungen in radialer Richtung, also quer zur Längsachse des Profils, variierend gestaltet werden können, indem die relativen Abweichungen der Rotationsgeschwindigkeiten der mindestens zwei Faserständer von der Rotationsgeschwindigkeit der Abzugseinrichtung voneinander verschieden sind und/oder die Rotationsrichtungen der mindestens zwei Faserständer voneinander verschieden sind.
Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein FMV-Profil mit axial rotierendem Querschnitt, dessen Faserorientierung axial ist oder einen vordefinierten Winkel zur axialen Faserorientierung aufweist. Der Winkel kann z. B. dem Gangwinkel der axialen Rotation des Querschnitts, aber auch einem anderen Winkel ungleich 0° entsprechen. Der Flächeninhalt des Querschnitts des erfindungsgemäßen FMV-Profils ist über die gesamte Länge gleichbleibend; die Außenkontur des Querschnitts beschreibt eine kontinuierliche Rotation um die Längsachse des FMV-Profils. Vorteilhaft bietet das erfindungsgemäße FMV-Profil die Möglichkeit zur sicheren, formschlüssigen Anbindung aufgrund des axial rotierenden Querschnitts sowie die Möglichkeit zur gezielten Anpassung an Lastpfade aufgrund der einstellbaren Faserorientierung. Das erfindungsgemäße FMV-Profil kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder mittels der erfindungsgemäßen Anlage hergestellt werden.
In einer Ausführungsform variiert die Faserorientierung im erfindungsgemäßen FMV-Profil über die Profillänge und/oder den Profildurchmesser in vordefinierter Weise.
Bei einer Variation der Faserorientierung über die Profillänge, also in axialer Richtung, kann eine aus der Gesamtheit der Verstärkungsfasern beispielhaft herausgegriffene Einzelfaser z. B. in einem bestimmten Abschnitt der Länge des FMV-Profils axial ausgerichtet sein und in mindestens einem anderen Abschnitt der Länge des FMV-Profils einen Winkel zur axialen Orientierung aufweisen, oder die Einzelfaser weist einen Winkel zur axialen Orientierung auf, der sich bezüglich der Länge des Profils kontinuierlich oder abschnittsweise ändert.
Bei einer Variation der Faserorientierung über den Profildurchmesser, also schichtweise senkrecht zur Längsachse des FMV-Profils, können im Querschnitt des FMV-Profils beispielsweise mindestens eine radial um die Längsachse angeordnete Schicht mit Fasern, die einen ersten Winkel zur axialen Orientierung aufweisen, sowie mindestens eine zweite radial um die Längsachse angeordnete Schicht mit Fasern, die einen zweiten, vom ersten verschiedenen Winkel zur axialen Orientierung aufweisen, vorliegen. Es können auch beispielsweise schichtweise angeordnete Fasern vorliegen, die über die Profillänge eine rechtsgängige Helix um die Längsachse des FMV-Profils sowie Fasern, die eine linksgängige Helix um die Längsachse des FMV-Profils beschreiben, vorliegen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen FMV-Profils ist das Matrixmaterial organisch, z. B. duroplastisch oder thermoplastisch oder elastomer, oder anorganisch, z. B. metallisch oder keramisch oder mineralisch, oder eine Kombination von organisch und anorganisch. Das erfindungsgemäße Profil ist damit für eine Vielzahl von Anwendungsfällen geeignet. Als Verstärkungsfasern können sämtliche für das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Anlage geeigneten Fasern verwendet werden.
Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung von Bewehrungsstäben für mineralische Baustoffe, insbesondere Beton.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen FMV-Profils als Bewehrungsstab für mineralische Baustoffe, insbesondere Beton. Eine nachträgliche Oberflächenbehandlung der erfindungsgemäßen FKV-Profile zur weiteren Verbesserung der Anbindung an Beton, z. B. durch Besanden der Oberfläche, ist möglich.
Erfindungsgemäß beschriebene Merkmale und Details des Verfahrens oder der Anlage oder des FMV-Profils gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den jeweils anderen Gegenständen der Erfindung und umgekehrt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.
Die Erfindung wird im Folgenden durch Ausführungsbeispiele anhand von Figuren erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Dabei zeigt die

1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung eines FMV-Profils mit axial rotierendem Querschnitt und einstellbarer Faserorientierung;
2a und 2b Darstellungen einer Matrize als Teil der Formgebungseinrichtung einererfindungsgemäßen Anlage;
3 ein erfindungsgemäßes FMV-Profil mit axial rotierendem Querschnitt.

In 1 ist die Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anlage nach Art einer Pultrusionsanlage dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt und ein erfindungsgemäßes FMV-Profil mit axial rotierendem Querschnitt und vordefinierter Faserorientierung hergestellt werden kann.
Die erfindungsgemäße Anlage 1 weist eine Faserzuführungseinrichtung in Form eines Spulenständers 2 auf. Von den Spulen 21 des Spulenständers 2 werden vorimprägnierte Rovings 3 abgezogen und in einer Sammeldüse 4 zusammengeführt, bevor das die Rovings 3 umgebende Matrixmaterial in der Temperiereinrichtung in Form einer Aufheizstation 5 durch Erwärmung formbar gemacht wird. Das formbare Faser-Matrix-Halbzeug 31 wird in eine Formgebungseinrichtung 6 eingezogen, die eine Matrize umfasst, deren Innenkontur die gewünschte Außenkontur des herzustellenden FMV-Profils aufweist. Der axial rotierende Querschnitt des herzustellenden FMV-Profils ist in der Matrize als Hohlraum abgebildet. Das Faser-Matrix-Halbzeug 31 wird in der Formgebungseinrichtung 6 also mittels der Matrize geformt sowie ausgehärtet, z. B. in Abhängigkeit des Matrixmaterials durch Abkühlung oder weitere Temperaturerhöhung, ggf. unter Anwendung von Druck. Die Formgebungseinrichtung 6 verlässt ein FMV-Profil 32 mit axial rotierendem Querschnitt. Eine der axial rotierenden Gestaltung des Querschnitts des FMV-Profils 32 entsprechende Rotation des FMV-Profils 32 wird durch die Abzugseinrichtung 7, z. B. einen Bandabzug oder Rollenabzug oder Raupenabzug oder Greiferabzug oder Klemmabzug, realisiert, d. h. die Abzugseinrichtung 7 rotiert um eine der Längsachse 321 des FMV-Profils 32 entsprechende Achse (angedeutet durch einen Pfeil 8). Um eine vordefinierte Faserorientierung im FMV-Profil zu erzielen, rotiert auch der Spulenständer 2 um eine der Längsachse 321 des FMV-Profils 32 entsprechende Achse (angedeutet durch Pfeil 8). Nach dem Ablängen des FMV-Profils 32 in der Ablängeinrichtung 9 kann das FMV-Profil 32 sofort formschlüssig z. B. als Bewehrungsstab in Beton eingebunden werden; es sind keine Nachbearbeitungsschritte notwendig.
2a und 2b zeigen eine Matrize 61 einer Formgebungseinrichtung, mittels derer ein formbares Faser-Matrix-Halbzeug zu einem FMV-Profil mit axial rotierendem Querschnitt geformt werden kann. In 2a ist eine perspektivische Außenansicht der Matrize 61 dargestellt, in der insbesondere die Form des Querschnitts als Dreieck mit leicht abgerundeten Ecken und jeweils mit einer leichten Einbuchtung versehenen Seiten gut sichtbar ist. In 2b ist zusätzlich die Innenkontur der Matrize 61 angedeutet. Der in der Matrize ausgebildete Hohlraum, durch den das zunächst formbare Faser-Matrix-Halbzeug gezogen und ausgehärtet wird, bildet die axial rotierende Gestalt des Querschnitts des herzustellenden FMV-Profils ab.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes FMV-Profil 32 mit axial rotierendem Querschnitt und einstellbarer Faserorientierung.
Bezugszeichenliste

1: Erfindungsgemäße Anlage
2: Spulenständer
21: Spule
3: Roving
31: Formbares Faser-Matrix-Halbzeug
32: FMV-Profil
321: Längsachse des FMV-Profils
4: Sammeldüse
5: Aufheizstation
6: Formgebungseinrichtung
61: Matrize
7: Abzugseinrichtung
8: Rotationspfeil
9: Ablängeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/076400 A2 [0005]
WO 02/066762 A1 [0005]
WO 8900493 [0006]
US 6612085 B2 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines FMV-Profils (32) mit axial rotierendem Querschnitt, aufweisend zumindest die Verfahrensschritte Faserzuführung, Formgebung, Abziehen und Ablängen, dadurch gekennzeichnet, dass - die Formgebung des FMV-Profils (32) mittels einer Formgebungseinrichtung (6) erfolgt, deren Innenkontur die Negativform des axial rotierenden Querschnitts des FMV-Profils (32) darstellt, und - zumindest die Faserzuführung mittels einer rotierenden Faserzuführungseinrichtung (2) sowie das Abziehen mittels einer rotierenden Abzugseinrichtung (7) erfolgt, wobei die Rotation der Faserzuführungseinrichtung (2) und der Abzugseinrichtung (7) um die Längsachse (321) des FMV-Profils (32) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserzuführung von ungetränkten Fasern oder mit Matrixmaterial vorimprägnierten Fasern (3) erfolgt, wobei nach der Zuführung ungetränkter Fasern vor der Formgebung eine Imprägnierung mit Matrixmaterial in einer Imprägnierungseinrichtung erfolgt, und wobei das Matrixmaterial organisch, vorzugsweise duroplastisch oder thermoplastisch oder elastomer, oder anorganisch, vorzugsweise metallisch oder keramisch oder mineralisch, ist, oder eine Kombination von mindestens einem organischen und mindestens einem anorganischen Matrixmaterial umfasst
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierung ungetränkter Fasern mit Matrixmaterial mittels einer axial rotierenden Imprägnierungseinrichtung erfolgt
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des FMV-Profils (32) aus unidirektional angeordneten Einzelfasern (3) so erfolgt, dass das FMV-Profil (32) über die gesamte Profillänge eine Faserorientierung aufweist, die axial ist, oder eine Faserorientierung aufweist, die einen definierten Winkel zur axialen Faserorientierung ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des FMV-Profils (32) aus unidirektional angeordneten Einzelfasern (3) so erfolgt, dass - die Faserorientierung im FMV-Profil (32) in axialer Richtung variierend ausgebildet wird, indem die Faserzuführung und der Abzug so ausgeführt werden, dass die relative Abweichung der Rotationsgeschwindigkeiten der Faserzuführungseinrichtung (2) und der Abzugseinrichtung (7) voneinander variiert wird, und/oder - die Faserorientierung im FMV-Profil (32) schichtweise variierend ausgebildet wird, indem die Faserzuführung mittels mindestens zweier unabhängig angetriebener Faserständer in der Faserzuführungseinrichtung ausgeführt wird, und Faserführung und Abzug so ausgeführt werden, dass die relative Abweichung der Rotationsgeschwindigkeiten der mindestens zwei Faserständer der Faserzuführungseinrichtung von der Rotationsgeschwindigkeit der Abzugseinrichtung (7) voneinander verschieden ist und/oder die Rotationsrichtungen der mindestens zwei Faserständer der Faserzuführungseinrichtungvoneinander verschieden sind.
Anlage (1) zur Herstellung eines FMV-Profils (32) mit axial rotierendem Querschnitt, aufweisend zumindest eine Faserzuführungseinrichtung (2), eine Formgebungseinrichtung (6), eine Abzugseinrichtung (7) und eine Ablängeinrichtung (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur der Formgebungseinrichtung (6) die Negativform des axial rotierenden Querschnitts des FMV-Profils (32) darstellt, und zumindest die Faserzuführungseinrichtung (2) und die Abzugseinrichtung (7) in Rotation versetzbar sind, wobei die Rotation um die Längsachse (321) des FMV-Profils (32) erfolgt.
Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Imprägnierungseinrichtung aufweist, die zwischen Faserzuführungseinrichtung (2) und Formgebungseinrichtung (6) angeordnet ist, und die in Rotation versetzbar ist, wobei die Rotation um die Längsachse (321) des FMV-Profils (32) erfolgt.
Anlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserzuführungseinrichtung mindestens zwei Faserständer umfasst, die in die gleiche Rotationsrichtung oder in gegenläufige Rotationsrichtungen rotieren, wobei die Rotation um die Längsachse (321) des FMV-Profils (32) erfolgt.
FMV-Profil (32) mit axial rotierendem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserorientierung im FMV-Profil (32) axial ist oder einen vordefinierten Winkel zur axialen Orientierung aufweist.
FMV-Profil (32) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserorientierung im FMV-Profil (32) über die Profillänge und/oder den Profildurchmesser in vordefinierter Weise variiert ist.
FMV-Profil (32) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das FMV-Profil (32) ein organisches Matrixmaterial, vorzugsweise duroplastisches oder thermoplastisches oder elastomeres Matrixmaterial, oder ein anorganisches Matrixmaterial, vorzugsweise metallisches oder keramisches oder mineralisches Matrixmaterial, oder eine Kombination von mindestens einem organischen und mindestens einem anorganischen Matrixmaterial aufweist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8 zur Herstellung von Bewehrungsstäben für mineralische Baustoffe.
Verwendung eines FMV-Profils (32) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 als Bewehrungsstab für mineralische Baustoffe.