DE102018127540A1

DE102018127540A1 - Verfahren zur bestimmung des verhaltens von faserverstärkten kunststoffen während der herstellung, vorrichtung und anlage

Info

Publication number: DE102018127540A1
Application number: DE102018127540.4A
Authority: DE
Inventors: Sathis Kumar Selvarayan; Markus Milwich; Götz Theo Gresser; Simon Küppers
Original assignee: Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Current assignee: Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2020-05-07
Anticipated expiration: 2038-11-06
Also published as: EP3877162A1; DE102018127540B4; WO2020094505A1

Abstract

Es wird ein Konzept zur Bestimmung des Verhaltens von faserverstärkten Kunststoffen offenbart, welches diese während ihrer Herstellung zeigen. Mit dem Bestimmungsergebnis kann auf das Verhalten der faserverstärkten Kunststoffe während ihrer Herstellung in einem Strangziehprozess geschlossen werden. In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens (100) weist das Verfahren (100) das Aufbringen eine Faser/Kunststoff-Preformlings (26) auf einen Rotationsdorn (24) und das Einbringen (102) des Dorns in eine beheizte Versuchsform (25) auf (Schritt 101). Form (25) und Dorn (26) werden relativ zueinander gedreht (Schritt 102) und wenigstens ein Wert des Antriebsmoments und/oder des Abstützmoments wird erfasst (Schritt 103). Mittels des wenigstens einen Wertes kann ein Parameter eines Produktionsprozesses in einer Fertigungslinie (10) zum Strangziehen ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen durch Strangziehen (Pultrusion).
Beim Herstellen von faserverstärkten Kunststoffteilen durch Strangziehen wird ein Strang aus Verstärkungsendlosfasern und Matrixmaterial und ggfs. weiteren Bestandteilen, wie z.B. Füllstoffen oder Textilien durch eine beheizbare Fertigungsform (Werkzeug) gezogen. Dabei härtet das Matrixmaterial aus, indem es von einem flüssigen in einen pastösen oder gelartigen und schließlich in einen festen Zustand übergeht. Um den Strang mit einer in der Regel konstanten, bestimmten Geschwindigkeit durch die Form zu ziehen, muss mit einer Kraft (Ziehkraft) an dem Strang gezogen werden. Die Ziehkraft wird durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst. Zu den Parametern gehören z.B. Viskosität des Matrixmaterials, Reibungskoeffizient zwischen Form und Matrixmaterial, Reibungskoeffizient zwischen Form und Faserverstärkungsmaterial, Druck, Temperatur, Expansionskoeffizient des Matrixmaterials, Länge der Form, Geschwindigkeit, Material der Form, Oberfläche der Form und Gestalt der Form usw. Für die Planung, Einrichtung und Steuerung eines Fertigungsprozesses ist es von Vorteil, Kenntnisse über die Parameter zu haben. Aus diesem Grund gibt es auf diesem Gebiet eine intensive Forschungstätigkeit.
In dem Artikel S.N. Gregoriev, A.N. Krasnowskii, und I.A. Kazakov, „The Friction Force Determination of Large-Sized Composite Rods in Pultrusion", in Appl. Compos. MATR., Ausgabe 21, Nr. 4, Seiten 651 bis 659, 2014 wird ein mathematisches Modell zur Bestimmung einer Reibungskraft zwischen ausgehärtetem Kunstharz und der Form vorgestellt.
Der Artikel E. Lackey and J.G. Vaughan, „An Analysis of Factors Effecting Pull Force for the Pultrusion of Graphite/Epoxy Composites", J.Reinf. Plast. Compos., Ausgabe 13, Nr. 3, Seiten 188 bis 198, März 1994 beschreibt ein Verfahren zur Untersuchung von Einflüssen auf die Ziehkraft.
Der Artikel G. Sala and C. Cutolo, „The pultrusion of powder-impregnated thermoplastic composites", Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., Ausg. 28, Nr. 7, Seiten 637 - 646, Januar 1997 beschreibt eine Untersuchung der Anwendbarkeit verschiedener Modelle für die Viskosität von Kunstharz zur Modellierung von Strangziehverfahren.
S. Li, L. Xu, Z. Ding, L.J.Lee und H. Engelen, „Experimental and Theoretical Analysis of Pulling Force in Pultrusion and Resin Injection Pultrusion (RIP)-Part I: Experimental," J. Comos. Mater., Ausg. 37, Nr. 2, Seiten 163-189, Jan. 2003. beschreibt eine Vorrichtung zur Messung von Reibung zwischen dem faserverstärkten Material und der Formoberfläche unter verschiedenen Bedingungen wie etwa Temperatur, Grad der Harzaushärtung, Ziehgeschwindigkeit und Normalkraft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Konzept zur Analyse eines Strangziehprozesses bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Verfahren gemäß Anspruch 6, einer Vorrichtung gemäß Anspruch 8 und einer Anlage gemäß Anspruch 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung des Verhaltens, insbesondere des Klebe- und Reibverhaltens, von faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere Kunstharzen, während der Herstellung, insbesondere während des Aushärtens des Kunstharzes, angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Preformling, der aus Faser- und Matrixmaterial und gegebenenfalls weiteren Materialien zusammengesetzt sein kann, zwischen einem Rotationsdorn (Dorn) und einer Form einer Testvorrichtung angeordnet. Der Dorn und die Form werden relativ zueinander gedreht. Wenigstens ein Wert eines Antriebsmoments und/oder eines Abstützmoments wird erfasst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Einflüsse oder Teilkräfte der Summe der Kräfte, welche mittels der Ziehkraft mindestens überwunden werden muss, in einem quasi endlosen Experiment ermittelt werden. Unterschiedliche Fertigungsformenlängen beim Strangziehverfahren können unabhängig von der Geschwindigkeit simuliert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine hohe Freiheit, den Einfluss von Parametern (z.B. Herstellungszeit, Geschwindigkeit, Formlänge) unabhängig von anderen zu untersuchen, dies insbesondere aufgrund der endlosen Förderung des Preformlings entlang der Reibfläche. Zum Beispiel ist die Simulation eines beliebig langsamen Aushärtens oder langsamen Aufheizens des Preformlings simulierbar, was einer langen Form beim Strangziehverfahren mit nur geringer Temperatur und/oder einer geringen Ziehgeschwindigkeit entspricht.
Bei dem Preformling kann es sich beispielsweise um einen mit Fasern durchsetzen Kunststoff- und/oder Kunststoffausgangsmaterial handeln. Die Fasern können in einzelnen Filamenten, Strängen, Textilien usw. vorliegen. Vorzugsweise sind die Fasern um den Dorn gewickelt, um im Wesentlichen in Umfangsrichtung orientiert zu sein.
In einer Ausführungsform wird ein Preformling auf einen Rotationsdorn aufgebracht und danach der Dorn in eine Form eingebracht (oder in einer anderen Reihenfolge). Der Dorn und die Form werden relativ zueinander gedreht. Wenigstens ein Wert eines Antriebsmoments und/oder eines Abstützmoments werden erfasst.
Der Schaft rotiert bevorzugt koaxial innerhalb einer beheizten zylindrischen Form von konstantem (über die Länge) oder variierendem (über die Länge) Querschnitt.
Zum Aushärten des Kunststoffes kann die Form vorzugsweise geheizt werden. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise der Dorn beheizt werden.
Bei dem Verfahren können optional weitere Parameter erfasst werden. Beispielsweise können der Druck in der Form, die Temperatur oder der Temperaturverlauf (zeitlich und/oder örtlich axial in der Form) erfasst werden.
Bevorzugt werden das Antriebsmoment und/oder das Abstützmoment im Zeitverlauf erfasst. Der zeitliche Momentenverlauf kann in einen Kraftverlauf umgerechnet werden. Dadurch werden die Einflüsse der unterschiedlichen Zustände (Phasen) des Matrixmaterials oder Herstellungsphasen auf die Ziehkraft in einem kontinuierlichen Experiment erfassbar. Der zeitliche Momentenverlauf entspricht einem örtlichen Kraftverlauf innerhalb der Form in Förderrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens entspricht die Winkelgeschwindigkeit des Verstärkungsmaterials oder des Preformlings, während des Bestimmens, der Winkelgeschwindigkeit des Dorns. Damit entspricht die relative Winkelgeschwindigkeit zwischen Preformling und/oder Verstärkungsmaterial und der Form der relativen Winkelgeschwindigkeit zwischen dem Dorn und der Form. Der Dorn kann dazu ausgebildet sein, das Verstärkungsmaterial oder den Preformling mitzunehmen. Der Dorn und der Preformling können formschlüssig ineinandergreifen. Das Reibmoment zwischen dem Dorn und dem Preformling kann, in Abschnitten des Testverlaufs oder im gesamten Testverlauf, stets größer sein als das Reibmoment zwischen Preformling und Form. Damit kann die Reibung zwischen dem Preformling und der Oberfläche der Fertigungsform auf relativ großer Fläche simuliert werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Form und/oder der Dorn beheizt werden. Vorzugsweise wird zumindest das Element, Dorn oder Form, beheizt, welches relativ zu dem Preformling gedreht wird oder am Preformling entlang bewegt wird bzw. eine andere Winkelgeschwindigkeit aufweist als der Preformling. Damit werden Verhältnisse wie im realen Fertigungsprozess simuliert, bei dem die Fertigungsform, durch welche der Preformling gezogen wird, beheizt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Bestimmen mit wenigstens zwei unterschiedlichen Preformlingen durchgeführt und aus den Ergebnissen wird auf das Verhalten eines dritten Preformlings in der Form der Testvorrichtung und/oder in einer Fertigungsform in einer Fertigungslinie zum Strangziehen geschlossen. In einer Abwandlung kann das Bestimmen mit einem Preformling durchgeführt werden und aus dem Ergebnis kann auf das Verhalten eines dritten Preformlings geschlossen werden. Der dritte Preformling kann sich von dem einen Preformling bzw. den wenigstens zwei unterschiedlichen Preformlingen unterscheiden, insbesondere hinsichtlich seiner Form. Der eine oder die wenigstens zwei unterschiedlichen Preformlinge können eine Geometrie aufweisen, die einen Versuch in der Vorrichtung erlaubt, mit welcher das Verfahren ausgeführt wird. Es ist möglich, dass diese Geometrie, z.B. hinsichtlich ihrer Dicken, nicht der Geometrie entspricht, wie sie im realen Fertigungsprozess verwendet wird oder gefertigt werden soll. Beispielsweise kann durch Interpolation oder Extrapolation auf das Verhalten des dritten Preformlings in einer Testvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder in einer Fertigungsform bzw. einer Fertigungslinie für einen realen Fertigungsprozess geschlossen werden.
Erfindungsgemäß wird ein weiteres Verfahren bereitgestellt, welches dem Entwerfen, Einrichten und/oder Steuern eines Fertigungsprozesses dienen kann. Bei dem Verfahren wird das ermittelte Verhalten, welches mittels einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Verfahrens ermittelt wurde, dazu verwendet, wenigstens einen Parameter des Fertigungsprozesses festzulegen. Parameter des Fertigungsprozesses können beispielsweise die Temperatur oder der Temperaturverlauf (zeitlich und/oder örtlich) in der Fertigungsform, das ist die Form mit der im Fertigungsprozess das faserverstärkte Profil hergestellt wird, die innere Gestalt der Fertigungsform, das Material und/oder die Oberflächenbeschaffenheit der Fertigungsform und/oder die Zusammensetzung des Materials des Preformlings und/oder die Zusammensetzung des Produkts sein.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Vorrichtung (Testvorrichtung) zur Bestimmung des Verhaltens von faserverstärkten Kunststoffen während der Herstellung angegeben. Mittels der Vorrichtung kann beispielsweise eines der Verfahren, wie oben vorstehend beschrieben, ausgeführt werden. Die Vorrichtung weist einen Rotationsdorn (Dorn), eine Form und eine Einrichtung zum relativen Drehen des Dorns und der Form zueinander auf. Zwischen dem Dorn und der Form kann ein Preformling wie oben beschrieben aufgenommen sein. Die Vorrichtung weist zudem wenigstens ein Mittel zum Erfassen des Antriebsmoments und/oder des Abstützmoments auf.
Die Rauheiten von Dorn und Form können einen unterschiedlichen Betrag aufweisen. Bevorzugt sind der Dorn und die Form derart eingerichtet, dass der Dorn das Verstärkungsmaterial aus Fasern oder den Preformling mitnimmt, so dass das Verstärkungsmaterial und noch weiter bevorzugt der Preformling bei ausgehärtetem Harz, dieselbe Winkelgeschwindigkeit aufweist wie der Dorn.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Anlage zur Produktion und/oder zur Produktionsplanung angegeben, welche eine Datenbank mit wenigstens einem Ergebnis oder mehreren Ergebnissen der Bestimmung des Verhaltens gemäß einem der vorstehend beschriebenen Verfahren bzw. mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung enthält. Ein Ergebnis kann beispielsweise ein Parameter eines Produktionsprozesses sein.
Die Anlage weist vorzugsweise eine Eingabeeinrichtung und eine Ermittlungsseinrichtung auf, wobei die Anlage derart eingerichtet ist, dass ein Benutzer der Anlage über die Eingabeeinrichtung eine Geometrie und/oder Zusammensetzung eines Preformlings und/oder Produktes vorgeben kann und die Ermittlungseinrichtung wenigstens einen Produktionsparameter ermittelt. Die Ermittlungseinrichtung kann in Ausführungsbeispielen den Produktionsparameter anhand eines oder mehrerer Produktionsparametern für eine oder mehrere Geometrien und/oder Zusammensetzung von Preformlingen und/oder Produkten ermitteln, für welche Bestimmungsergebnisse in der Datenbank vorliegen, welche mittels eines der vorstehend beschriebenen Verfahren oder Vorrichtungen ermittelt sind, und/oder anhand von interpolierten und/oder extrapolierten Bestimmungsergebnissen, welche auf mittels eines der vorstehend beschriebenen Verfahren oder Vorrichtungen ermittelten Bestimmungsergebnissen beruhen. Diese Geometrien und/oder Materialzusammensetzungen, für welche Bestimmungsergebnisse vorliegen, können verschieden von der vorgegebenen Geometrie und/oder Zusammensetzung sein.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und/oder Merkmale des Erfindungsgegenstands, insbesondere der Verfahren, der Vorrichtung und der Anlage ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren sowie folgender Beschreibung. Die Figuren zeigen schematisch und beispielhaft:

1 - eine Fertigungslinie zum Strangziehen,
2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Methode zum Messen der Ziehkraft,
3 - eine schematische Veranschaulichung von Beiträgen zur Ziehkraft in oder an einer Fertigungsform,
4 - eine Veranschaulichung einer Variante des erfindungsgemäßen Konzepts,
5a - eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5b - einen Ausschnitt einer Variante der Vorrichtung gemäß 5a in einer Längsschnittdarstellung,
6 - die Vorrichtung gemäß 5a zusammen mit einem Steuerungs- und Auswertungssystem,
7 ein Messergebnis erhalten mittels der Vorrichtung gemäß 5a und 6 und
8 - ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt eine beispielhafte Fertigungslinie 10 zur Herstellung von Profilen mittels Strangziehen. Die Fertigungslinie 10 weist ein Spulengatter oder Faserregal 11, Faserführungen 12, eine Imprägniereinrichtung 13, Führungen 14 für den imprägnierten Faserstrang oder die imprägnierte Faserstränge, welche gleichzeitig der Vorformgebung dienen können, eine beheizte Fertigungsform 15, eine Ziehvorrichtung 16 und eine Ablängvorrichtung 17, z.B. Säge, zum Ablängen der hergestellten Profile auf.
Strangziehen ist ein kontinuierlicher Prozess, um Profile mit insbesondere konstantem Querschnitt aus Verbundmaterial herzustellen. Während des Strangziehens werden Fasern 18 einzeln, in Strängen, als Band, Gewebe und/oder Matte und/oder weitere oder andere Textil-Formen durch eine Imprägniereinrichtung 13 gezogen, wo sie mit einem Matrixmaterial, insbesondere Kunstharz, imprägniert werden. Überschüssiges Matrixmaterial kann in einer Führung 14 zum Vorformen von dem imprägnierten Fasern 18 entfernt werden. Die matrixmaterialgetränkten Fasern 18 werden durch eine beheizte Fertigungsform 15 gezogen, um in der Fertigungsform 15 das Matrixmaterial zu härten. Dabei kann das Matrixmaterial polymerisieren, um mit den Fasern 18 ein festes Profil aus Verbundwerkstoff zu bilden.
Während des Prozesses treten Reibungskräfte und sonstige Kräfte auf, welche in Summe von der Ziehvorrichtung kompensiert werden müssen, um den Faserstrang mit konstanter Geschwindigkeit durch die Fertigungsform 15 zu ziehen. Diese Kräfte werden in jeder Einheit 11, 12, 13, 14, 15 der Fertigungslinie 10 von einschließlich dem Spulengatter 11 bis einschließlich in der Fertigungsform 15 erzeugt. Diese Kräfte treten u.a. aufgrund der Spannung des Verstärkungsmaterials, insbesondere der Verstärkungsfasern 18, sowie der Reibung zwischen den Fasern 18 und den Führungen 12, 14 bis zum Eingang 19 in die Fertigungsform 15 und aufgrund innerer und äußerer Reibung innerhalb der Kavität der Fertigungsform 15 auf. Die Kräfte können zumindest teilweise durch Temperaturveränderungen und Volumenveränderungen, insbesondere des Matrixmaterials, z.B. beim Aushärten, beeinflusst sein. Die Ziehkraft, welche die Ziehvorrichtung zur Überwindung der Summe der Kräfte ausübt, ist ein sekundärer Parameter, welcher von den primären Parametern, wie etwa der Faserspannung, der Ziehgeschwindigkeit, Temperaturprofil in der Fertigungsform 15, der Fertigungsformgeometrie und der Oberflächenrauheit, dem Verhältnis von Fasern zum Volumen der Fertigungsformkavität, der anfänglichen Harzviskosität, dem Druck in der Form, Verlauf der Harzaushärtung, chemisches Schrumpfen, thermische Expansion usw. abhängt. Obwohl die Ziehkraft ein sekundärer Parameter ist, ist die Analyse der Ziehkraft kritisch um den Strangziehprozess zu verstehen und zu steuern. Von der Ziehkraft können die Prozessstabilität und die Eigenschaften der stranggezogenen Verbundmaterialien abhängen.
2 zeigt ein Beispiel, wie im Stand der Technik die Summe der Kräfte, welche im Zusammenhang mit der Fertigungsform 15 entstehen und zur Ziehkraft beitragen, experimentell bestimmt wird, indem ein Kraftsensor oder Kraftaufnehmer 20 zwischen einem stationären Rahmen 21 und einer gleitgelagerten Fertigungsform 15 eingesetzt wird. 2 zeigt eine Gleitlagerung 22, welche die Fertigungsform 15 in Ziehrichtung R lagert, die Fertigungsform 15 und einen Abschnitt des Stranges 23 aus Fasern 18 und Matrixmaterial. Mittels des Kraftaufnehmers 20 wird die Summe der einzelnen Kräfte auf die Fertigungsform 15 bestimmt, wenn die Fertigungsform 15 auf Grund des Ziehens an dem Strang 23 durch die Fertigungsform 15 gegen den Kraftaufnehmer 20 gedrückt wird. Mit einer Anordnung wie in 2 gezeigt, können jedoch nicht, jedenfalls nicht ohne erheblichen Versuchsaufwand, die einzelnen Beiträge zu der Kraft, welche von der Fertigungsform 15 stammen, gesondert voneinander bestimmt werden.
3 veranschaulicht verschiedene Widerstandskräfte, welche während des Strangziehens in oder an der Fertigungsform 15 auftreten. Die Ziehkraft (F_Zieh) muss zur Überwindung der Summe dieser einzelnen Kräfte aufgebracht werden. Zu der Gesamtkraft trägt die in 3 als F_{Zusammenführung} bezeichnete Kraft bei, welche in dem Abschnitt der Fertigungslinie 10 von einschließlich dem Spulengatter 11, den Führungen 12, 14, der Imprägnierungseinrichtung 13 entsteht. Diese Komponenten sind in 3 stark schematisiert durch einen Kasten dargestellt. Die Fertigungsform 15 kann einen sich in Ziehrichtung verjüngenden Eingang 19 aufweisen. Eine Kraft F_Verdichtung tritt beispielsweise durch das Verdichten oder Komprimieren des Stranges 23 an oder im Eingang 19 der Fertigungsform 15 auf. In dem Bereich der Fertigungsform 15, in dem das Harz in flüssiger (Zone Z1) oder gelierter Form (englisch gel) (Zone Z2) vorliegt, tritt innere oder viskose Reibung (Kraftbeitrag F_Viskosität ) auf. In Bereichen der Fertigungsform 15, in denen das Matrixmaterial in fester Form (Zone Z3) vorliegt, tritt Festkörperreibung (Kraftbeitrag F_Reibung ) auf. Zudem kann Reibung zwischen den Fasern 18 und der Fertigungsform 15 auftreten.
Das System zur Bestimmung der Summe der Kräfte auf die Fertigungsform 15, d.h. der Summe der Kräfte F_Verdichtung , F_Viskosität und F_Reibung , unter Verwendung des Kraftaufnehmers 20, wie in 2 dargestellt, ist ein System zur kontinuierlichen Messung, welches in einer vollständigen Fertigungslinie 10 implementiert wird. Aus den Eigenschaften des Strangziehprozesses ein kontinuierlicher und linearer Prozess zu sein, folgt, dass Veränderungen der Parameter, um den Prozess zu optimieren, oftmals ein Umrüsten oder Neubestücken der Fertigungslinie 10 erfordern und daher aufwendig sind. Die Bestimmung der Ziehkraft mittels des Kraftaufnehmers 20, wie in 2 gezeigt, allein lässt auch nicht auf einfache Weise die Komponenten der einzelnen Kraftbeiträge ermitteln, welche innerhalb der Fertigungsform 15 auftreten.
Die Erfindung beruht auf dem Wunsch, die oben genannten Nachteile zu überwinden. Der erfinderische Gedanke ist, den linearen Strangziehprozess in einen Rotationsprozess zu transformieren. Dadurch wird die Funktion „Kraft als Funktion der Position oder des Ortes“ in der Fertigungsform 15 in die Funktion „Drehmoment als Funktion der Zeit“ (siehe 4) in der Versuchsform 25 transformiert. Dies kann durch die Beziehung: F(l) -> M(t) ausgedrückt werden. 4 veranschaulicht dies. 4 zeigt einen Strang 23 in einer Fertigungsform 15 und einen Rotationsdorn 24 (auch Dorn genannt, kann auch als Spindel, Schaft oder Kern bezeichnet werden) in einer Versuchsform 25 (Form) zwischen welchen ein Faser/Matrixmaterial-Preformling 26 (Preformling), welcher Matrixmaterial und Verstärkungsfasern 18 aufweist, angeordnet ist. Die Äquivalente zu den Kräften, welche in Summe durch die Ziehkraft kompensiert werden müssen, können dadurch ohne zeitliche Beschränkungen studiert werden. Werte zum Bestimmen der einzelnen Kraftbeiträge in den Abschnitten der Fertigungsform sind in einem Verfahrensdurchlauf nacheinander bestimmbar.
5a zeigt schematisch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30, mittels welcher ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 durchgeführt werden kann. 5b zeigt einen Ausschnitt einer Variante der Vorrichtung 30 gemäß 5a in einer Längsschnittansicht. Die Vorrichtung 30 weist die Versuchsform 25 auf, welche einen Innenraum begrenzt (s. 5b). Die Form 25 weist in Längsrichtung (Axialrichtung) in dem Bereich, in dem die Form einen Preformling 26 aufnimmt, vorzugsweise einen konstanten Querschnitt auf. Alternativ können der Querschnitt und/oder die Größe des Bereichs in der Form 25 variieren. Bevorzugt weißt die Form 25 in dem Bereich, in dem diese einen Preformling 26 aufnimmt, eine radiale Abmessung auf, welche in alle Radialrichtungen konstant ist. Die innere Umfangsoberfläche der Form 25, welche mit dem Preformling 26 in Kontakt ist, ist bevorzugt im Wesentlichen zylindermantelförmig, so dass die Form 25 im Wesentlichen einen zylindrischen Innenraum begrenzen kann. Die Form 25 oder deren innere Oberfläche kann aus demselben Material bestehen, wie eine Fertigungsform 15, welche in einer Fertigungslinie 10 eingesetzt werden kann, und/oder kann beispielsweise eine vergleichbare Oberflächenbeschaffenheit aufweisen.
In dem in 5a dargestellten Zustand ist, wie in 5b veranschaulicht, der Dorn 24 in der Form 25 angeordnet. Dorn 24 und Form 25 sind bevorzugt koaxial. Der Dorn 24 kann eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen. Die Form 25 und der Dorn 24 begrenzen eine Spalt 31 zur Aufnahme des Preformlings 26. Der Spalt 31 ist bevorzugt mantelförmig, besonders bevorzugt zylindermantelwandförmig und umgibt den Dorn 24 vorzugsweise vollständig. Der Spalt 31 zwischen der Oberfläche des Dorns 24 ohne den Preformling 26 und der inneren Oberfläche der Form 25 repräsentiert die Dicke des Stranges in der Fertigungsform 15.
Auf den Dorn 24 ist der Faser/Matrixmaterial-Preformling 26 aufgebracht, dessen Kleb- und/oder Reibverhalten gegenüber der Form 25 bestimmt werden soll. Insbesondere können harzgetränkte Fasern 18, z.B. in Form eines Stranges aufgebracht werden. Die Fasern 18 können insbesondere einen bandförmigen Raum einnehmen. Die Fasern 18 sind auf den Dorn vorzugsweise geordnet aufgebracht. Die harzgetränkten Fasern sind beispielsweise um den Dorn 24 gelegt oder auf den Dorn 24 gewickelt. Die Fasern 18 erstrecken sich bevorzugt im Wesentlichen entlang der Umfangsrichtung des Dornes 24.
Die Vorrichtung 30 weist Gleitdichtungen (dynamische Dichtungen), beispielsweise Gleitringdichtungen 32, zur Abdichtung des Spaltes 31 zwischen dem Dorn 24 und der Form 25 nach außen auf.
Die Form 25 ist in einem Heizblock 33 rotationsfest befestigt, welcher dem Heizen der Form 25 dient. Ein Temperaturfühler 34 dient zum Bestimmen der Temperatur der Form 25.
Der Dorn 24 wird über eine Wellenanordnung 35 von einem Motor 36 angetrieben. Die Wellenanordnung 35 kann ein Getriebe 37 aufweisen. Zu dem Motor 36 und/oder der Wellenanordnung 35 kann eine Einrichtung 38, z.B. ein Aufnehmer oder eine Einheit, zum Bestimmen des Drehmoments (Antriebsmoments) gehören, welches der Antrieb aus Motor 36 und Getriebe 37 auf den Dorn 24 ausübt. Dieses hängt von der viskosen Reibung und/oder Festkörperreibung zwischen dem Preformling 26 und der Form 25 und/oder von einer Klebwechselwirkung zwischen dem Preformling 26 und der Form 25, welche Klebwechselwirkung insbesondere auf Grund des Matrixmaterials bestehen kann, ab. Das Drehmoment kann beispielsweise bis zu 100 Nm betragen. Die Vorrichtung 10 weist eine Einrichtung 39 zum Bestimmen der Drehzahl des Dorns 24 auf.
Der Heizblock 33 bzw. die Form 25 sind auf einem Ständer 40 befestigt. Eine Isolierplatte 33a isoliert den Heizblock 33 thermisch von dem Ständer 40. Der Ständer 40 ist in der Lage das Drehmoment, welches auf die Form 25 bzw. den Heizblock 33 durch Drehen des Dorns 24 und des Preformlings 26 relativ zu der Form 25 ausgeübt wird, abzustützen. Der Heizblock 33 und die Form 25 bleiben beim Drehen des Dorns 24 mit dem Preformling 26 in der Form 25 vorzugsweise in einer Winkelstellung relativ zu dem Rahmen 44 bzw. dem Ständer 40. Der Heizblock 33 und die Form 25 werden also vorzugsweise nicht gedreht. Zwischen dem Heizblock 33 und dem Ständer 40 ist eine Einrichtung 41 zum Bestimmen des Abstützmoments angeordnet, mittels welcher Einrichtung 41 der Heizblock 33 mit dem Ständer 40 gekoppelt ist. Mit der Einrichtung 41 zum Bestimmen des Drehmoments, welches der Heizblock 33 auf den Ständer 40 ausübt, kann das Abstützmoment ermittelt werden, mit welchem sich die Form 25, im Beispiel über den Heizblock 33, an dem Ständer 40 abstützt. Das Drehmoment, welches abgestützt werden muss, wird durch die Drehung des Dorns 24 von dem Dorn 24 auf den Preformling 26 und über den Preformling 26 auf die Form 25 übertragen und von dieser auf den Heizblock 33. Das von dem Preformling 26 auf die Form 25 übertragene Drehmoment kann im Zeitverlauf des Versuchsprozesses mit der Vorrichtung 30 stark variieren. Denn im Zeitverlauf können sich die Phasen (flüssig, gelartig, fest) des Matrixmaterials, Temperatur des Preformlings, Druck des flüssigen oder gelierten Matrixmaterials, Ausdehnung des Preformlings 26 und damit die viskose und/oder Festkörperreibung zwischen dem Preformling 26 und der Form 25 und auch ein Klebverhalten zwischen dem Matrixmaterial des Preformlings 26 und der Form 25 stark ändern.
Der Ständer 40 weist eine Einrichtung 42 zur Höhenverstellung der Form 25 bzw. des Heizblocks 33 auf. Die Höhenverstellung erfolgt dabei in Längsrichtung der Mittelachse 43 der Form 25, welche bevorzugt mit der Rotationsachse des Dorns 24 zusammenfällt (s. 4 und 5b). Die Einrichtung 42 zur Höhenverstellung, welche im Beispiel durch eine Scherenkinematik gebildet ist, dient dazu, den Dorn 24 und die Form 25 relativ zueinander zu bewegen. Insbesondere kann damit der Dorn 24 relativ zu der Form 25 in die Form 25 bewegt werden.
Im Ausführungsbeispiel sind die Komponenten der Vorrichtung 30 in einem Rahmen 44 angeordnet, der den Ständer 40 und den Motor 36 mit der Wellenanordnung 35 und dem Dorn 24 trägt.
Zu dem Steuerungssystem 45 der Vorrichtung 30 gemäß 5a, 5b, welches in 6 schematisch gezeigt ist, gehört eine Steuerungseinrichtung 46, welche eine Einrichtung 47 zur Leistungsbeaufschlagung des Motors 36 zur Einstellung der Drehzahl des Motors 36 aufweist, und eine Messwertaufnahmeeinrichtung 48, welche mit der Steuerungseinrichtung 46 gekoppelt ist oder Teil dieser ist, und welche Daten von der Einrichtung 39 zum Bestimmen der Drehzahl des Dorns 24, von dem Temperaturfühler 34 und von wenigstens einer der Einrichtungen 41, 38 zur Bestimmung des Abstützmoments bzw. des Antriebsmoments oder von sowohl der Einrichtung 41 zum Bestimmen des Abstützmoments als auch der Einrichtung 38 zum Bestimmen des Antriebsmoments empfängt. Von der Steuerungseinrichtung 46 kann außerdem eine Einheit zur Thermoregulation 49 gesteuert werden, welche die Temperatur in dem Heizblock 33 regelt. Die Vorrichtung 30 kann weitere Einrichtungen zum Ermitteln von physikalischen Größen aufweisen, z.B. einen Drucksensor (nicht gezeigt) zum Bestimmen des Drucks in dem Spalt 31. Die Daten der weiteren Einrichtungen können ebenfalls über die Messwertaufnahmeeinrichtung 48 aufgenommen werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 können erfindungsgemäße Verfahren 100 durchgeführt werden, wie sie im Folgenden beispielhaft beschrieben sind. Verfahrensschritte sind in 8, welche Blockdiagramme darstellen, beispielhaft veranschaulicht.
Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 enthält den Schritt des Anordnens 101 eines Faser/Matrixmaterial-Preformlings 26 (Preformling 26) zwischen dem Rotationsdorn 24 und der Form 25. Dazu kann der Preformling 26 beispielsweise auf den Rotationsdorn 24 der Vorrichtung gemäß 5a, 5b, 6 aufgebracht werden. Für diesen Vorgang kann der Ständer 40 in eine Position nach unten gefahren werden (nicht dargestellt), in welcher der Dorn 24 außerhalb der Form 25 angeordnet ist. Der Dorn 24 ist von der Wellenanordnung 35 vorzugsweise entkuppelt, um den Preformling 26 auf den Dorn 24 aufzubringen. Um den Preformling 26 auf den Rotationsdorn 24 aufzubringen, können die Fasern, welche mit Matrixmaterial versehen sind, zunächst auf den Rotationsdorn 24 gewickelt werden. Anschließend kann der Rotationsdorn 24 mit der Wellenanordnung 35 gekuppelt werden. Der Preformling 26 kann beispielsweise aus einem oder mehreren Strängen von Verstärkungsfasern 18, welche mit Matrixmaterial getränkt sind, zusammengesetzt sein. Der Preformling 26 kann alternativ oder zusätzlich zu den Strängen Textilien in Form von beispielsweise gewebten Bändern oder Bändern aus Filzmaterial oder anderen Textilformen enthalten. Das Matrixmaterial kann, zumindest zu einem großen Teil, aus Kunstharz, beispielsweise Epoxidharz, bestehen. In dem Matrixmaterial können zusätzlich Additive oder Füllstoffe enthalten sein. Verstärkungsfasern 18 in dem Preformling 26 haben vorzugsweise eine Länge von wenigstens dem Umfang des Dorns 24, um wenigstens einmal um den Dorn 24 gewickelt werden zu können. Das Verstärkungsmaterial, besteht vorzugsweise aus miteinander nicht verschlungenen oder verwebten einzelnen Fasern 18 oder weist solche auf. Das Verstärkungsmaterial ist vorzugsweise ein Strang aus nebeneinander verlaufenden Einzelfasern 18. Das Verstärkungsmaterial kann um den Dorn 24 gelegt oder gewickelt werden. Der Preformling 26 kann auf den Rotationsdorn 24 aufgebracht werden, indem, beispielsweise bandförmige, Stränge um den Rotationsdorn gelegt werden, insbesondere auf den Rotationsdorn aufgewickelt werden, so dass die Fasern 18 und/oder die Stränge sich vorzugsweise zumindest im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Rotationsdorns 24 erstrecken. Es kann als Preformling 26 beispielsweise eine einzelne Endlosfaser oder eine Gruppe von wenigen Endlosfasern als Strang auf den Dorn 24 gewickelt werden, bis die gewünschte Preformlingdicke erreicht wird. Es ist beispielsweise möglich, vorimprägnierte Fasern 18 auf den Rotationsdorn 24 aufzubringen und/oder auf den Rotationsdorn 24 aufgebrachte Fasern 18 nachträglich zu imprägnieren. Als Verstärkungsfasermaterial können beispielsweise Glasfasern verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können beispielsweiser Kohlefasern verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich zu Glasfasern und/oder Kohlefasern können andere Fasern, z.B. Polymerfasern, verwendet werden.
Um den Preformling 26 zwischen dem Rotationsdorn 24 und einer Form 25 anzuordnen, kann nun der Dorn 24 mit dem Preformling 26 in die Form 25 eingebracht werden. Dazu kann in der Vorrichtung 30 gemäß 5a beispielsweise die Form 25 mit dem Heizblock 33 mittels der Scherenkinematik vertikal in eine Position wie in 5a dargestellt gefahren werden, wobei der Dorn 24 mit dem darauf aufgebrachten Preformling 26 in die Form 25 eintaucht.
Es ist möglich, den Dorn 24 und die Form 25 relativ zueinander bereits während des Eintauchens zu drehen und/oder erst nachdem der Eintauchvorgang abgeschlossen ist. Während 5a, b und 6 eine Vorrichtung zeigen, in der die Form 25 selbst relativ zu dem Ständer 40 bzw. dem Rahmen 44 nicht drehbar ist, sondern nur der Dorn 24 zu einer Drehbewegung relativ zu der Form 25 angetrieben werden kann, ist es zusätzlich oder alternativ möglich, die Form 25 drehbar zu lagern und drehanzutreiben. Eine entsprechende Vorrichtung (nicht dargestellt) weist bevorzugt eine Einrichtung zum Bestimmen des Antriebsmoments der Form 25 und/oder eine Einrichtung zum Bestimmen des Abstützmoments des Dorns 24 auf.
Der Dorn 24 und die Form 25 werden mittels des Motors 36 und der Wellenanordnung 35 relativ zueinander gedreht (Schritt 102), während der Dorn 24 mit dem Preformling 26 in der Form 25 angeordnet ist. Der Preformling 26 weist vorzugsweise dieselbe Winkelgeschwindigkeit auf, wie der Dorn 24. Insbesondere sind die Fasern 18 an dem Dorn 24 relativ zu dem Dorn 24 bevorzugt in Ruhe. Bevorzugt werden Dorn 24 und Form 25 koaxial relativ zueinander gedreht.
Während des relativen Drehens zueinander des Dorns 24 und der Form 25 kann der Heizblock 33 beispielsweise auf einer bestimmten Temperatur gehalten oder die Temperatur des Heizblocks 33 gemäß einer Funktion, insbesondere einer linearen Funktion, verändert werden. Dadurch, dass die Form 25 von außen mittels des Heizblocks 33 geheizt wird, kann ein Temperaturgefälle in dem Preformling 26 erzeugt werden. Die Wärme kann von dem Flächenpaar aus innerer Formoberfläche und äußerer Preformlingoberfläche ausgehend radial nach innen dringen. Damit können Verhältnisse simuliert werden, wie sie insofern den Verhältnissen in einer Fertigungsform 15 entsprechen, als dass sich auch dort ein Temperaturgefälle von der Oberfläche des Stranges 23 in der Fertigungsform 15 nach innen ergibt. Durch das Erwärmen des Matrixmaterials kann das Matrixmaterial im Versuchsverlauf in mehr und mehr Bereichen zunehmend aushärten, wobei das Matrixmaterial durch Polymerisation von einem flüssigen in einen gelartigen und schließlich in einen festen Zustand übergehen kann. Die Steuerungseinrichtung 46, welche die Drehzahl des Dorns 24 regelt, hält diese vorzugsweise konstant, trotz Polymerisierung, Steigerung des Druckes durch thermische Expansion und damit potentiell höhere Normalkraft auf die Reibfläche und/oder chemisches Schrumpfen in radiale Richtung, welche Effekte zu stark unterschiedlichem Reibverhalten im zeitlichen Verlauf des Versuchs führen können.
Es wird wenigstens ein Wert des Antriebsmoments und/oder des Abstützmoments zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasst (Schritt 103). Daraus kann eine Kraft ermittelt werden, welche zu der Summe der Kräfte beiträgt, welche im Fertigungsverfahren mittels der Fertigungslinie 10 durch die Ziehvorrichtung 16 kompensiert werden muss, um den Strang 23 in der Fertigungslinie 10 mit konstanter Geschwindigkeit durch die Fertigungsform 15 zu ziehen. Denn die Verhältnisse in der Versuchsform 25 sind so ähnlich zu denen in der Fertigungsform 15, dass aus den Ergebnissen des Verfahrens Rückschlüsse auf das Verhalten des Stranges 23 als Preformling in der Fertigungsform 15 gezogen werden können. Aus dem erfassten wenigstens einen Wert des Antriebsmoments und/oder des Abstützmoments kann der Beitrag zur Ziehkraft (zur Gegenkraft der Ziehkraft) ermittelt werden, welcher aus einem bestimmten Längsabschnitt der Fertigungsform 15 stammt, insbesondere in dem gleiche oder ähnliche Verhältnisse vorliegen, wie bei Erfassung des Wertes im erfindungsgemäßen Verfahren. Der bestimmte Zeitpunkt zu dem der Wert erfasst wird, lässt sich in eine bestimmte Position oder einen bestimmten Längsabschnitt in einer Fertigungsform 15 umrechnen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also das Verhalten, insbesondere das Klebe- und Reibverhalten, eines Stranges 23 in zumindest einem Abschnitt der Fertigungsform 15 (siehe 1) simuliert werden.
Besonders bevorzugt wird das Antriebsmoment und/oder das Abstützmoment im Zeitverlauf erfasst (Schritt 103'). Es können mehrere diskrete Werte des Antriebs- und/oder des Abstützmoments über den zeitlichen Ablauf des Testversuchs erfasst werden. Durch die Wärmeeinwirkung polymerisiert und/oder kristallisiert das Matrixmaterial, z.B. Kunstharz, über die Zeit aus. Im zeitlichen Verlauf des Testversuchs liegen also unterschiedliche Verhältnisse (z.B. Aushärtungsgrad, Polymerisationsgrad und/oder Kristallisationsgrad des Kunstharzes, Druck des Matrixmaterials, Temperatur des Preformlings 26, usw.) vor, welche in der Fertigungsform 15 (1) Verhältnissen in verschiedenen Längsabschnitten der Fertigungsform 15 entsprechen können. Wenn das Antriebsmoment und/oder das Abstützmoment im Zeitverlauf erfasst werden (siehe beispielhaft 7, welche das Abstützmoment im Zeitverlauf zeigt) kann der zeitliche Momentenverlauf in einen Kraftverlauf, Kraft als Funktion der Position in der Fertigungsform 15 in Förderrichtung, umgerechnet werden (Schritt 104).
Es kann beispielsweise ein Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit von der Zeit, wie beispielsweise in 7 dargestellt, ermittelt werden. Das in 7 dargestellte Diagramm zeigt den Verlauf des Drehmoments über die Zeit bei konstanter Drehzahl des Dorns 24 mit einem 1 Millimeter dicken Preformling 26 aus Glasfasern als Verstärkungsmaterial und Epoxidharz als Matrixmaterial während des Aushärtens. Der starke Anstieg des Drehmoments im zeitlichen Verlauf des Testversuchs kann durch einen Druckanstieg beim wärmebedingten Ausdehnen des Verbundwerkstoffs und durch den Übergang von innerer zu äußerer Reibung beim Übergang von der flüssigen Phase des Kunstharzes auf die Gelphase des Kunstharzes erklärt werden. Der starke Abfall des Drehmomentes kann durch ein Schrumpfen des Formlings aufgrund des Aushärtens des Harzes erklärt werden, bei dem der Druck und damit die Normalkraft zwischen der Oberfläche der Form 25 und des Preformlings 26 sinkt.
Wie durch den gestrichelten Pfeil in 8 ersichtlich, kann das Ergebnis der Bestimmung aus dem Testversuch in den Entwurf oder die Einrichtung eines Fertigungsprozesses einfließen, indem ein Parameter des Fertigungsprozesses anhand des Ergebnisses des einen oder mehrere Testversuche festgelegt wird (Verfahren 104). Parameter des Fertigungsprozesses können beispielsweise die Länge der Fertigungsform 15, die Zusammensetzung des Preformlings oder Stranges 23 und/oder des Produkts, die Temperatur, der Temperaturverlauf in der Fertigungsform 25 und/oder die Abziehgeschwindigkeit sein.
Ohne großen Materialaufwand und ohne eine vollständige Strangziehfertigungslinie 10 vorhalten zu müssen, kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 das Verhalten, insbesondere das Kleb- und Reibverhalten, von Preformlingen 26 unterschiedlicher Zusammensetzung, für unterschiedliche Formen 25, Temperaturen usw. studiert werden. Es können damit relativ einfach Parameter, z.B. Zusammensetzung des Preformlings oder Stranges 23, Eigenschaften der Form 15, beispielsweise Material oder Oberflächenbeschaffenheit, Temperatur, Temperaturverlauf, Ziehgeschwindigkeit, welche sich in eine Rotationsgeschwindigkeit umrechnen lässt, usw. variiert werden. Mittels der Vorrichtung 30 und der Verfahren 100, 104 können individuelle Parameter identifiziert und optimiert werden, wie etwa das Temperaturprofil der Fertigungsform 15, die Oberflächenrauheit und das Material der Fertigungsform 15, die Fasern 18 und der Volumenanteil der Fasern, das Matrixmaterial, insbesondere das Harzsystem, Additive, Geschwindigkeit des Verfahrens, Geometrie des Verbundwerkstoffprofils, welche den Strangziehprozess beeinflussen, ohne dass eine vollständige Strangziehfertigungslinie 10 erforderlich wäre. Mit dem Verfahren wird nur ein Bruchteil des Materials gebraucht, welches für einen Strangziehprozess gebraucht wird. Dies macht das Verfahren besonders material- und kostensparend. In einer Fertigungslinie 10 zum Strangziehen ist die Fertigungsform 15 eine der größten Kostentreiber. Da die vorgeschlagene Vorrichtung mit einer Versuchsform 25 mit relativ kleiner Größe auskommt - die Versuchsform 25 für den Testversuch ist im allgemeinen kleiner als eine Fertigungsform 15 in einer Fertigungslinie 10, welche mittels des Testversuchs ausgelegt wird - bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 sowie die erfindungsgemäßen Verfahren 100, 104 auch deshalb einen hohen ökonomischen Vorteil. Das Verfahren 100 zur Bestimmung des Verhaltens 100 und das Verfahren zur Festlegung wenigstens eines Parameters des Fertigungsprozesses 104 können auch als ein Gesamtverfahren angesehen werden.
Ein oder mehrere Ergebnisse aus der Bestimmung des Verhaltens mittels wenigstens eines Testversuchs können in einer Datenbank einer Anlage (nicht dargestellt) zur Fertigung mittels Strangziehen und/oder zur Fertigungsplanung hinterlegt sein. Die Anlage kann eine Eingabeeinrichtung und eine Ermittlungseinrichtung aufweisen, wobei die Anlage derart eingerichtet ist, dass ein Benutzer der Anlage über die Eingabeeinrichtung eine Geometrie und/oder eine Zusammensetzung eines Faser/Harz-Preformlings und/oder eines Produktes vorgeben kann und die Ermittlungseinrichtung wenigstens einen Produktionsparameter anhand von dem oder den Ergebnissen, welche über die Datenbank zugänglich sind und welche aus mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 30 und/oder mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100, 104 bestimmten Verhaltens ermittelt, insbesondere berechnet, wurden. Der wenigstens eine Produktionsparameter kann beispielsweise anhand von Geometrien und/oder Zusammensetzungen von Preformlingen 26 und/oder Produkten ermittelt werden, für welche Bestimmungsergebnisse ermittelt mittels eines der vorstehend beschriebenen Verfahren 100, 104 oder Vorrichtungen 30 in der Datenbank vorliegen und welche verschieden von der vorgegebenen Geometrie und/oder Zusammensetzung sind.
Es wird ein Konzept zur Bestimmung des Verhaltens von faserverstärkten Kunststoffen offenbart, welches diese während ihrer Herstellung zeigen. Mit dem Bestimmungsergebnis kann auf das Verhalten der faserverstärkten Kunststoffe während ihrer Herstellung in einem Strangziehprozess geschlossen werden. In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 weist das Verfahren 100 das Aufbringen eine Faser/Kunststoff-Preformlings 26 auf einen Rotationsdorn 24 und das Einbringen 102 des Dorns in eine beheizte Versuchsform 25 auf (Schritt 101). Form 25 und Dorn 26 werden relativ zueinander gedreht (Schritt 102) und wenigstens ein Wert des Antriebsmoments und/oder des Abstützmoments wird erfasst (Schritt 103). Mittels des wenigstens einen Wertes kann ein Parameter eines Produktionsprozesses in einer Fertigungslinie 10 zum Strangziehen ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

10: Fertigungslinie
11: Spulengatter oder Faserregal
12: Faserführungen
13: Imprägniereinrichtung
14: Führungen für den imprägnierten Faserstrang
15: Fertigungsform
16: Ziehvorrichtung
17: Ablängvorrichtung
18: Faser
19: Eingang
20: Kraftsensor/Kraftaufnehmer
21: Rahmen
22: Gleitlagerung
23: Strang
24: Rotationsdorn, Dorn
25: Versuchsform/Form
26: Faser/Matrixmaterial-Preformling
30: Vorrichtung
31: Spalt
32: Gleitringdichtung
33: Heizblock
34: Temperaturfühler
35: Wellenanordnung
36: Motor
37: Getriebe
38: Einrichtung zum Bestimmen des Drehmoments
39: Einrichtung zum Bestimmen der Drehzahl
40: Ständer
41: Einrichtung zum Bestimmen des Abstützmoments
42: Einrichtung zur Höhenverstellung
43: Mittelachse
44: Rahmen
45: Steuerungssystem
46: Steuerungseinrichtung
47: Einrichtung zur Leistungsbeaufschlagung
48: Messwertaufnahmeeinrichtung
49: Einheit zur Thermoregulation
100: Verfahren
101: Anordnen
102: Relatives Drehen der Form und des Dorns zueinander
103: Erfassen eines Wertes
103': Erfassen im Zeitverlauf
R: Ziehrichtung
Z1: Zone
Z2: Zone
Z3: Zone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

S.N. Gregoriev, A.N. Krasnowskii, und I.A. Kazakov, „The Friction Force Determination of Large-Sized Composite Rods in Pultrusion“, in Appl. Compos. MATR., Ausgabe 21, Nr. 4, Seiten 651 bis 659, 2014 [0003]
E. Lackey and J.G. Vaughan, „An Analysis of Factors Effecting Pull Force for the Pultrusion of Graphite/Epoxy Composites“, J.Reinf. Plast. Compos., Ausgabe 13, Nr. 3, Seiten 188 bis 198, März 1994 [0004]
G. Sala and C. Cutolo, „The pultrusion of powder-impregnated thermoplastic composites“, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., Ausg. 28, Nr. 7, Seiten 637 - 646, Januar 1997 [0005]
S. Li, L. Xu, Z. Ding, L.J.Lee und H. Engelen, „Experimental and Theoretical Analysis of Pulling Force in Pultrusion and Resin Injection Pultrusion (RIP)-Part I: Experimental,“ J. Comos. Mater., Ausg. 37, Nr. 2, Seiten 163-189, Jan. 2003 [0006]

Claims

Verfahren (100) zur Bestimmung des Verhaltens von faserverstärkten Kunststoffen während der Herstellung, bei dem - ein Preformling (26) zwischen einem Rotationsdorn (24) und einer Form (25) angeordnet (101) wird, - der Dorn (24) und die Form (25) relativ zueinander gedreht werden (102), - wenigstens ein Wert eines Antriebsmoments und/oder eines Abstützmoments erfasst wird (103).
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei das Antriebsmoment und/oder das Abstützmoment im Zeitverlauf erfasst wird (103'), wobei der zeitliche Momentenverlauf in einen Kraftverlauf umgerechnet wird (104).
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Winkelgeschwindigkeit des Preformlings (26) während des Bestimmens der Winkelgeschwindigkeit des Dorns (24) relativ zu der Form (25) entspricht.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Form (25) und/oder der Dorn (24) geheizt werden.
Verfahren (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des Verhaltens mit wenigstens zwei unterschiedlichen Preformlingen (26) durchgeführt wird und aus den Ergebnissen auf das Verhalten eines dritten Preformlings geschlossen wird.
Verfahren (104) zum Entwerfen, Einrichten und/oder Steuern eines Fertigungsprozesses, bei dem anhand des ermittelten Verhaltens, welches mittels eines Verfahrens (100) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ermittelt wurde, wenigstens ein Parameter des Fertigungsprozesses festgelegt wird.
Verfahren (104) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der wenigstens eine Parameter die Temperatur oder der Temperaturverlauf, zeitlich und/oder örtlich, in der Fertigungsform (15), die Geschwindigkeit, die Länge und/oder die Oberflächenbeschaffenheit der Fertigungsform (15), das Material und/oder die innere Gestalt der Fertigungsform (15) und/oder die Zusammensetzung des Materials des Faser/Matrixmaterial-Preformlings und/oder die Zusammensetzung des Produkts ist.
Vorrichtung (30) zur Bestimmung des Verhaltens von faserverstärkten Kunststoffen während der Herstellung mit einer Form (25), einem Dorn (24), auf welchem ein Faser/Matrixmaterial-Preformling (26) anordnenbar ist, so dass der Faser/Matrixmaterial-Preformling (26) zwischen dem Dorn (24) und der Form (25) aufgenommen ist, einer Einrichtung (35, 36, 37) zum relativen Drehen zueinander des Dorns (24) und der Form (25) und wenigstens einer Einrichtung (38, 41) zum Erfassen des Antriebs- und/oder Abstützmomentes.
Vorrichtung (30) nach Anspruch 8, wobei die Rauheit des Dorns (24) verschieden von der Rauheit der Form (25) ist.
Anlage zur Produktion und/oder Produktionsplanung, welche eine Datenbank mit wenigstens einem Ergebnis der Bestimmung des Verhaltens von faserverstärkten Kunststoffen mittels eines Verfahrens (100, 104) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einer der Vorrichtung (30) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9 enthält.
Anlage nach Anspruch 10, wobei die Anlage eine Eingabeeinrichtung und eine Ermittlungseinrichtung aufweist, wobei Anlage derart eingerichtet ist, dass ein Benutzer der Anlage über die Eingabeeinrichtung eine Geometrie und/oder Zusammensetzung eines Preformlings oder Produktes vorgeben kann und die Ermittlungseinrichtung wenigstens einen Produktionsparameter anhand von Geometrien und/oder Zusammensetzungen von Preformlingen und/oder Produkten ermittelt, für welche Bestimmungsergebnisse in der Datenbank vorliegen und welche verschieden von der vorgegebenen Geometrie und/oder Zusammensetzung sind.