DE102019133755A1

DE102019133755A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines faser- und/oder textilbewehrten, mineralischen Bauteils

Info

Publication number: DE102019133755A1
Application number: DE102019133755.0A
Authority: DE
Inventors: Sandra Gelbrich; Marco Lindner; Ronny Wagler; Ralf Gliniorz; Konrad Vanselow
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines textilbewehrten, mineralischen Bauteils wobei bei dem Verfahren ein textiles Fasermaterial von einer Fasermaterialliefereinheit abgezogen, in einer Imprägniervorrichtung mit wenigstens einem aushärtbaren Polymer und/oder einer mineralischen Suspension getränkt und in noch nicht ausgehärtetem Zustand in und/oder auf ein noch nicht ausgehärtetes mineralisches Matrixmaterial gebracht wird, wobei das textile Fasermaterial von der Fasermaterialliefereinheit mit einer Vorschubeinheit abgezogen wird, die sich in Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung befindet. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines textilbewehrten, mineralischen Bauteils, wobei die Vorrichtung eine Fasermaterialliefereinheit, auf der ein textiles Fasermaterial aufgenommen ist, eine Fasermaterialabzugseinheit zum Abziehen des auf der Fasermaterialliefereinheit aufgenommenen textilen Fasermaterials und eine Imprägniervorrichtung zum Tränken des textilen Fasermaterials mit einem aushärtbaren Polymer und/oder einer mineralischen Suspension aufweist, wobei die Fasermaterialabzugseinheit eine in Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung angeordnete Vorschubeinheit ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faser- und/oder textilbewehrten, mineralischen Bauteils, wobei bei dem Verfahren ein textiles Fasermaterial von einer Fasermaterialliefereinheit abgezogen, in einer Imprägniervorrichtung mit wenigstens einem aushärtbaren Polymer und/oder einer mineralischen Suspension getränkt und in noch nicht ausgehärtetem Zustand in und/oder auf ein noch nicht ausgehärtetes mineralisches Matrixmaterial gebracht wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines faser- und/oder textilbewehrten, mineralischen Bauteils, wobei die Vorrichtung eine Fasermaterialliefereinheit, auf der ein textiles Fasermaterial aufgenommen ist, eine Fasermaterialabzugseinheit zum Abziehen des auf der Fasermaterialliefereinheit aufgenommenen textilen Fasermaterials und eine Imprägniervorrichtung zum Tränken des textilen Fasermaterials mit einem aushärtbaren Polymer und/oder einer mineralischen Suspension aufweist.
Vorzugsweise ist/wird das faser- und/oder textilbewehrte, mineralische Bauteil additiv gefertigt und/oder dreidimensional (3D) gedruckt.
Im Bausektor werden üblicherweise Betonelemente in stahlbewehrter massiver Ausführung eingesetzt. Zur Gewährleistung der Lastableitung und des Korrosionsschutzes ergeben sich für herkömmliche Betonfertigteile hohe Wandstärken. Damit verbunden ist eine erhebliche Erhöhung des Gewichtes derartiger Bauteile. Insbesondere beim Transport der Fertigbauteile zum Einsatzort sowie bei Montage und Einbau wirkt sich dieses hohe Gewicht nachteilig aus. Des Weiteren beeinflussen die stahlbewehrten Elemente elektrische und magnetische Felder, sodass beispielsweise bei schienengebundenen Verkehrsflächenanlagen aufwändige Vorkehrungen hinsichtlich Abschirmungen erforderlich sind. Explizit im Bereich der internen Betonbewehrung gelten zunehmend Komponenten aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), sowie textile Flächengebilde, als wichtige Alternative zu stahlbasierten Elementen. FKV bestehen in der Regel aus einer Kunststoffmatrix mit integrierten Fasern zur Erhöhung der Zugfestigkeit.
Die additive Fertigung mit mineralischen Werkstoffen ist ein relatives junges Gebiet im Bauwesen und beschreibt einen Prozess, bei dem auf Grundlage von digitalen Konstruktionsdaten schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Im Allgemeinen wird bei der additiven Fertigung von Betonelementen im Extrusionsverfahren ein pumpfähiger Beton extrudiert, wobei numerisch gesteuerte Roboterarme oder Portale die ausgetragene Mischung definiert als Betonlagen ablegen. Zur Erstellung eines dreidimensionalen Gebildes werden solche Betonlagen gezielt positioniert. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die schalungslose Bauweise und die aufwandsarme Möglichkeit, neben einer freien, eine individuell kundengerechte Formgebung umzusetzen. Neue Entwicklungen im Bereich additiver Fertigung mit Beton gehen dahin, textile Faserwerkstoffe als Bewehrungsmaterial zu nutzen, um die Tragfähigkeit signifikant zu erhöhen. Dabei werden vorzugsweise alkaliresistente Glasfasern (AR-Glasfasern) und/oder Kohlenstofffasern eingesetzt.
Die Druckschrift DE 10 2011 052 664 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Imprägnieren eines Fasermaterials mit einem Harz, wobei das Fasermaterial mittels einer Zieheinheit von einer Zufuhreinheit abgezogen und durch eine Vorheizeinheit, eine Imprägnierungseinheit und eine Presseinheit hindurch gezogen wird. Die Zieheinheit ist dabei in der Verarbeitungsrichtung des Fasermaterials nach der Imprägnierungseinheit und der Presseinheit angeordnet.
In der Druckschrift DE 10 2008 040 919 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Betonbauteils mit einer textilen Bewehrung offenbart, bei dem ein textiles Fasermaterial mit einem aushärtbaren Polymer getränkt wird.
Die Druckschrift EP 3 147 393 A1 beschreibt ein Verfahren zur Vorbereitung eines Garns für einen Einsatz als textile Bewehrung in einem mineralischen Matrixmaterial. Die Oberfläche des textilen Fasermaterials wird dabei mittels eines plasmachemischen und/oder plasmaphysikalischen Prozesses in der Weise modifiziert, dass durch die resultierende Modifikation die Benetzbarkeit verbessert wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung faser- und/oder textilbewehrter, mineralischer Bauteile mit einem verbesserten, insbesondere stabileren, Faser-Matrix-Verbund zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren zur Herstellung eines faser- und/oder textilbewehrten, mineralischen Bauteils gelöst, wobei bei dem Verfahren ein textiles Fasermaterial von einer Fasermaterialliefereinheit abgezogen, in einer Imprägniervorrichtung mit wenigstens einem aushärtbaren Polymer und/oder einer mineralischen Suspension getränkt und in noch nicht ausgehärtetem Zustand in und/oder auf ein noch nicht ausgehärtetes mineralisches Matrixmaterial gebracht wird, wobei das textile Fasermaterial von der Fasermaterialliefereinheit mit einer Vorschubeinheit abgezogen wird, die sich in Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung befindet.
Das mineralische Matrixmaterial liegt vorzugsweise in einem pumpbaren Verarbeitungszustand vor und weist eine definierte Grünstandsfestigkeit auf. Eine zusätzliche Schalung und/oder Bewehrung, wie beispielsweise ein Gitter, ist nicht notwendig.
Als mineralisches Matrixmaterial wird vorzugsweise Beton verwendet.
Alternativ können als mineralische Matrixmaterialien Mörtel, Lehm, Estrich und/oder andere pumpfähige Suspensionen zum Einsatz kommen.
Als textiles Fasermaterial kann/können ein Garn, ein Faden, ein Roving, Faserbändchen und/oder textiltechnologisch verarbeitetes Fasermaterial wie beispielsweise, eine Kordel, ein Geflecht und/oder verzwirnte Litzen verwendet werden.
Das textile Fasermaterial wird dabei von einer Fasermaterialliefereinheit bereitgestellt. Dabei kann das textile Fasermaterial auf einer Spule aufgewickelt oder in mehreren Schichten übereinander gefaltet vorliegen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass das getränkte textile Fasermaterial in noch nicht ausgehärtetem Zustand in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial gebracht wird. Die Polymerisation und Aushärtung des aushärtbaren Polymers und/oder der mineralischen Suspension findet vorzugsweise mit der Verfestigung des mineralischen Matrixmaterials statt. Dadurch wird neben dem mechanischen zusätzlich ein stoffschlüssiger Verbund generiert und somit die Stabilität des Faser-Matrix-Verbundes erhöht. Die daraus resultierende Erhöhung der Verbundspannung geht mit einer Verbesserung der Tragfähigkeit einher und öffnet somit vielfältige Anwendungsmöglichkeiten des ausgebildeten textilbewehrten mineralischen Bauteils, beispielsweise im Leichtbau.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung befindliche Vorschubeinheit nicht mit der Imprägnierlösung in Kontakt kommt und somit kein zusätzlicher Reinigungsaufwand für die Reinigung der Vorschubeinheit betrieben werden muss.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das textile Fasermaterial von der Vorschubeinheit zugspannungsfrei durch die Imprägniervorrichtung geschoben.
Dadurch kommt es zu einer Aufstauchung der Fasern des textilen Fasermaterials bei der Imprägnierung mit dem aushärtbaren Polymer und/oder der mineralischen Suspension, also im Imprägnierbad, wodurch die Oberfläche des textilen Fasermaterials erhöht und die Aufnahme des aushärtbaren Polymers und/oder der mineralischen Suspension durch die Fasern verbessert wird.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das textile Fasermaterial durch die Imprägniervorrichtung geschoben wird, wird zudem der Haftgleiteffekt minimiert und das textile Fasermaterial wird der Imprägniervorrichtung in einer haftgleit-freien Bewegung (im Englischen auch als „stick-slip-free movement“ oder „nonslip movement“ bezeichnet) gezielt und kontinuierlich zugeführt. Dies sichert vorteilhafterweise reproduzierbare Ergebnisse, ermöglicht also die Herstellung von Bauteilen mit einem gleichbleibend hoch qualitativen Faser-Matrix-Verbund.
Vorzugsweise weist die Vorschubeinheit wenigstens eine rotativ angetriebene Vorschubrolle und wenigstens ein gegen die wenigstens eine Vorschubrolle gespanntes Gegendruckelement auf, durch die das textile Fasermaterial in die Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials gefördert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Gegendruckelement auch wenigstens eine Rolle. Besonders bevorzugt kommt eine rotativ angetriebene erste Vorschubrolle zum Einsatz, gegen die als Gegendruckelement eine zweite, nicht angetriebene Vorschubrolle gedrückt wird.
Die wenigstens eine Vorschubrolle kann elektromotorisch angetrieben sein. Das wenigstens eine Gegendruckelement ist vorzugsweise nicht separat angetrieben, sondern wird gegen die wenigstens eine Vorschubrolle gespannt und kann dabei in eine zu der Vorschubrolle gegenläufige Rotation versetzt werden. Das Spannen des wenigstens einen Gegendruckelementes gegen die wenigstens eine Vorschubrolle kann durch eine Feder realisiert werden.
Das textile Fasermaterial verläuft zwischen der wenigstens einen Vorschubrolle und dem wenigstens einen Gegendruckelement. Bei Verwendung einer Rolle als Gegendruckelement wird das textile Fasermaterial durch die gegenläufige Rotation der Rollen mitgeführt und von der Fasermaterialliefereinheit abgezogen.
Die wenigstens eine Vorschubrolle und das wenigstens eine Gegendruckelement besitzen vorzugsweise elastische Kontaktbereiche an ihren Außenoberflächen, zwischen welchen das textile Fasermaterial geführt wird. Die elastischen Kontaktbereiche sind vorteilhafterweise nachgiebig, sodass das textile Fasermaterial durch die Vorschubeinheit möglichst wenig beansprucht wird. Beispielsweise können die elastischen Kontaktbereiche der Vorschubrolle und des Gegendruckelementes gummiert sein.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist die Vorschubeinheit wenigstens eine Luftdüse auf, die das textile Fasermaterial derart mit Luft beaufschlagt, dass es in die Imprägniervorrichtung gedrückt wird. Vorteilhafterweise wird dadurch die Anzahl der Bauteile minimiert, mit denen das textile Fasermaterial in Kontakt kommt und eine unnötige Beanspruchung des textilen Fasermaterials wird vermieden.
Bevorzugt wird das textile Fasermaterial durch eine in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Vorschubeinheit angeordnete Klemmstelle geführt. Durch die Klemmstelle wird ein unkontrolliertes Abziehen des textilen Fasermaterials von der Fasermaterialliefereinheit und/oder ein „Schlingern“ des textilen Fasermaterials vermieden, welches beispielsweise durch ein plötzliches Anlaufen der Vorschubeinrichtung entstehen könnte. Eventuell zu rasch abgewickelte Bereiche des textilen Fasermaterials werden durch die Klemmstelle abgebremst. Das textile Fasermaterial wird kontrolliert und kontinuierlich von der Fasermaterialliefereinheit abgezogen und der Imprägniervorrichtung zugeführt.
Die Klemmstelle wird durch eine Klemmvorrichtung gebildet, welche bevorzugt wenigstens eine mitlaufende, nicht angetriebene Walze und eine Gegenfläche aufweist, zwischen denen das textile Fasermaterial geklemmt geführt wird. Alternativ kann die Klemmvorrichtung ein Klemmwalzenpaar aufweisen. Die Klemmvorrichtung kann elastische Kontaktbereiche aufweisen, durch welche das textile Fasermaterial geführt wird.
Bevorzugt wird als das wenigstens eine Polymer wenigstens ein duroplastisches Harz verwendet und/oder als die mineralische Suspension eine zement- und/oder puzzolanbasierte Suspension verwendet.
In einer puzzolanbasierten Suspension wirkt vorteilhafterweise das Puzzolan in Kombination mit einem Aktivator festigend, was zu einer besseren Anbindung des textilen Fasermaterials an die mineralische Matrix führt.
Die mineralische Suspension kann weiterhin Binder und/oder Additive aufweisen.
Vorteilhafterweise weist die Imprägniervorrichtung ein rotationssymmetrisches Imprägnierbad auf, auf dessen Rotationsachse das textile Fasermaterial mit einer der Vorschubeinheit in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials nachfolgenden Zentriereinheit zentriert wird.
Das Imprägnierbad weist vorzugsweise eine im Längsschnitt entlang der Rotationsachse birnen- und/oder herzförmige Schnittform auf. Dadurch kann in Verbindung mit einem an das Imprägnierbad angeschlossenen Imprägniermittelzulauf gewährleistet werden, dass der Füllstand im Imprägnierbad während des gesamten Verarbeitungsprozesses des textilen Fasermaterials gleichbleibend ist. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine gleichmäßige Durchtränkung des textilen Fasermaterials mit dem aushärtbaren Polymer und/oder der mineralischen Suspension.
Vorzugsweise wird oberhalb des Imprägnierbades ein Unterdruck ausgebildet, sodass ein Heraustropfen des aushärtbaren Polymers und/oder der mineralischen Suspension aus dem Imprägnierbad verhindert wird.
Es ist ferner von Vorteil, wenn das in dem Imprägnierbad getränkte textile Fasermaterial durch eine Abstreifdüse geführt wird. Mittels der Abstreifdüse wird überschüssiges aushärtbares Polymer und/oder überschüssige mineralische Suspension von dem textilen Fasermaterial abgestreift. Dadurch wird das textile Fasermaterial mit einer genau definierten Durchtränkung in das Matrixmaterial ein- oder auf das Matrixmaterial aufgebracht.
Die Fläche der Öffnungsweite der Abstreifdüse ist bevorzugt 5 % bis 20 %, besonders bevorzugt 10 % größer als die Schnittfläche des textilen Fasermaterials.
Bevorzugt sind die Vorschubeinheit und die Imprägniervorrichtung an einer Fasermaterialmanipulationsvorrichtung angebracht und werden mit deren Hilfe im Raum bewegt.
Die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung ist dabei vorzugsweise als Roboter oder als bewegter Roboterarm oder als Portal ausgebildet. Das Portal ist in der Lage, die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung in zwei, drei oder mehr Freiheitsgraden im Raum zu positionieren.
Insbesondere kann die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung frei über dem noch nicht ausgehärteten mineralischen Matrixmaterial bewegt werden, wodurch das getränkte textile Fasermaterial gezielt und lokal definiert in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial aufgebracht werden kann.
Vorzugsweise wird auf das getränkte und in und/oder auf das mineralische Matrixmaterial gebrachte textile Fasermaterial durch eine Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung wenigstens eine weitere Schicht des mineralischen Matrixmaterials gebracht.
Die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung ist bevorzugt in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar. Die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung kann unabhängig von der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung oder mit dieser gekoppelt bewegt werden.
Bevorzugt ist die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung als Roboter oder als bewegter Roboterarm oder als Portal ausgebildet. Das Portal ist in der Lage, die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung in zwei, drei oder mehr Freiheitsgraden im Raum zu positionieren.
Durch die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung kann wenigstens eine weitere Schicht des noch nicht ausgehärteten mineralischen Matrixmaterials auf das getränkte und in und/oder auf das mineralische Matrixmaterial gebrachte textile Fasermaterial gebracht werden. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der wenigstens einen weiteren Schicht zu einem Zeitpunkt, an dem die Polymerisation und Aushärtung des aushärtbaren Polymers und/oder der mineralischen Suspension und die Verfestigung des mineralischen Matrixmaterials noch nicht erfolgt sind, sodass das getränkte textile Fasermaterial und beide Schichten des mineralischen Matrixmaterials nachfolgend aushärten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das getränkte textile Fasermaterial durch einen zentralen Bereich der Abstreifdüse geführt, der von einem davon getrennten Randbereich umgeben ist, durch den das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial gedrückt wird.
Bei dieser Vorgehensweise liegt das getränkte textile Fasermaterial vorteilhafterweise bereits beim Austragen aus der Vorrichtung in dem noch nicht ausgehärteten Matrixmaterial integriert vor und wird von dem noch nicht ausgehärteten Matrixmaterial umschlossen. Bei einem anschließenden Polymerisieren und/oder Aushärten des getränkten Fasermaterials als auch des Matrixmaterials entsteht so ein hochwertiger und stabiler Faser-Matrix-Verbund.
Ein gleichzeitiges Austragen des textilen Fasermaterials und des noch nicht ausgehärteten Matrixmaterials hat den Vorteil, dass nur eine einzige Manipulationsvorrichtung, wie z.B. ein einziger Austragroboter, verwendet werden muss um das textilbewehrte mineralische Bauteil auszubilden. Es können grundsätzlich noch weitere voneinander abgetrennte Bereiche der Abstreifdüse vorgesehen sein, durch die andere Materialien gedrückt werden können.
Vorteilhafterweise wird das getränkte Fasermaterial in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials nach der Imprägniervorrichtung durch eine Trennvorrichtung durchtrennt. Dadurch können mehrere Stücke definierter Längen des textilen Fasermaterials in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete Matrixmaterial gebracht werden.
Die Trennvorrichtung weist günstigerweise eine auf einen Amboss zu bewegte Klinge auf. Alternativ kann das getränkte textile Fasermaterial durch zwei aufeinander zu bewegbare Schneidmesser oder durch eine rotierende Klinge durchtrennt werden. Kommt ein Amboss zum Einsatz, besteht dieser vorzugsweise aus einem flexiblen, die Klinge nicht schädigenden Material, wie beispielsweise aus Gummi oder einem thermoplastischen Kunststoff.
Bevorzugt werden die Vorschubeinheit, die Imprägniervorrichtung und die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung durch eine gemeinsame Steuervorrichtung gesteuert.
Dadurch können verschiedene Prozessparameter, wie beispielsweise die Abzugsgeschwindigkeit, mit der das textile Fasermaterial von der Fasermaterialliefereinheit abgezogen wird, und/oder die Bewegungsrichtung und/oder Bahngeschwindigkeit der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung aufeinander abgestimmt werden. Insbesondere kann hierdurch in den Ecken des auszubildenden faser- und/oder textilbewehrten mineralischen Bauteils das getränkte textile Fasermaterial definiert und kontrolliert ausgegeben werden. Vorzugsweise wird mittels der gemeinsamen Steuervorrichtung auch das Füllen und Halten des Füllstandes der Imprägniervorrichtung ausgelöst und überwacht.
Vorzugsweise wird darüber hinaus auch die Trennvorrichtung, wenn vorhanden, durch die gemeinsame Steuereinrichtung gesteuert.
Vorzugsweise werden durch die gemeinsame Steuervorrichtung auch die Trennvorrichtung und/oder die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung angesteuert. Dadurch wird eine umfassende Regulierung der Ausgabe von textilem Fasermaterial und/oder Matrixmaterial ermöglicht.
Bevorzugt wird das getränkte textile Fasermaterial in Abhängigkeit von einer Fördergeschwindigkeit der Vorschubeinheit und/oder einer Bahngeschwindigkeit der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial gebracht.
Dabei werden vorzugsweise durch eine gemeinsame Steuervorrichtung die Fördergeschwindigkeit der Vorschubeinheit, die Bahngeschwindigkeit der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung und die Geschwindigkeit, mit der die Imprägniervorrichtung nachgefüllt wird aufeinander abgestimmt.
Es ist besonders günstig, wenn eine Materialaustrittsöffnung der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung so zu einem Träger oder einer Unterlage, auf dem oder der das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial vorliegt, in und/oder auf das getränkte textile Fasermaterial gebracht werden soll, ausgerichtet wird, dass das getränkte textile Fasermaterial mit einem Neigungswinkel α von 10° bis 50°, ganz besonders bevorzugt mit einem Neigungswinkel α von 10° bis 20°, in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial gebracht wird.
Unter dem Neigungswinkel α wird bei der vorliegenden Erfindung der Winkel verstanden, der sich zwischen einer in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials verlaufenden Längsachse der Fasermatrixmaterialmanipulationsvorrichtung und dem Träger oder der Unterlage, auf dem oder der bereits wenigstens eine Schicht des noch nicht ausgehärteten mineralischen Matrixmaterials liegt, ergibt. Dieser Neigungswinkel kann beispielsweise zwischen einer in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials verlaufenden Längsachse einer Austrittsöffnung der Abstreifdüse und dem jeweils letzten Berührungspunkt zwischen dem aus der Abstreifdüse ausgebrachten getränkten textilen Fasermaterial und dem noch nicht ausgehärtete mineralischen Matrixmaterial oder dem jeweils letzten Berührungspunkt zwischen einem aus getränktem textilem Fasermaterial und noch nicht ausgehärtetem mineralischen Matrixmaterial bestehenden Materialverbund und dem Untergrund oder Träger, auf den dieser Materialverbund aufgebracht wurde, gemessen werden. Dies ist vergleichbar mit einer Stifthaltung beim Schreiben, wobei sich ein entsprechender Neigungswinkel zwischen der Längsachse des Stiftes und einem Untergrund, auf dem geschrieben werden soll, ergibt.
Dadurch wird ein besonders schonendes und lokal definiertes Ablegen des getränkten textilen Fasermaterials bzw. des Materialverbundes gewährleistet.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines faser- und/oder textilbewehrten, mineralischen Bauteils gelöst, wobei die Vorrichtung eine Fasermaterialliefereinheit, auf der ein textiles Fasermaterial aufgenommen ist, eine Fasermaterialabzugseinheit zum Abziehen des auf der Fasermaterialliefereinheit aufgenommenen textilen Fasermaterials und eine Imprägniervorrichtung zum Tränken des textilen Fasermaterials mit einem aushärtbaren Polymer und/oder einer mineralischen Suspension aufweist und wobei die Fasermaterialabzugseinheit eine in Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung angeordnete Vorschubeinheit ist.
Dadurch, dass die Fasermaterialabzugseinheit in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung angeordnet ist, kommt sie vorteilhafterweise nicht mit der Imprägnierlösung in Kontakt.
Weiterhin von Vorteil ist, dass durch die Anordnung der Fasermaterialabzugseinheit vor der Imprägniervorrichtung ein zugspannungsfreies Schieben des textilen Fasermaterials in die Imprägniervorrichtung erfolgen kann, wodurch das textile Fasermaterial der Imprägniervorrichtung in einem aufgestauchten Zustand zugeführt wird. Vorteilhafterweise wird dadurch die Oberfläche des textilen Fasermaterials erhöht und die Aufnahme des aushärtbaren Polymers und/oder der mineralischen Suspension durch die Fasern des textilen Fasermaterials verbessert.
Das Zuführen des textilen Fasermaterials in die Imprägniervorrichtung erfolgt zudem in einer haftgleit-freien Bewegung (im Englischen auch als „stick-slip-free movement“ oder „nonslip movement“ bezeichnet) und somit kontinuierlich, wodurch die Herstellung eines textilbewehrten mineralischen Bauteils mit einem gleichbleibend hoch qualitativen Faser-Matrix-Verbund entsteht.
Das textile Fasermaterial kann/können ein Garn, ein Faden, ein Roving, Faserbändchen und/oder textiltechnologisch verarbeitetes Fasermaterial wie beispielsweise, eine Kordel, ein Geflecht und/oder verzwirnte Litzen sein.
Die Fasermaterialliefereinheit weist vorzugsweise eine Spule auf, auf der das textile Fasermaterial aufgewickelt ist. Alternativ liegt das textile Fasermaterial in der Fasermaterialliefereinheit in mehreren Schichten, beispielsweise in einem Eimer, übereinander gelegt vor.
Das mineralische Matrixmaterial liegt vorzugsweise in einem pumpbaren Verarbeitungszustand vor und weist eine definierte Grünstandsfestigkeit auf. Eine zusätzliche Schalung und/oder Bewehrung, wie beispielsweise ein Gitter, ist nicht notwendig.
Als mineralisches Matrixmaterial wird vorzugsweise Beton verwendet.
Alternativ können als mineralische Matrixmaterialien Mörtel, Lehm, Estrich und/oder andere pumpfähige Suspensionen zum Einsatz kommen.
Durch die Anordnung der Vorschubeinheit in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung wird vorteilhafterweise eine nahezu vollständige Durchtränkung des textilen Fasermaterials gewährleistet. Dies ist primär auf eine Aufstauchung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung zurück zu führen. Eine haftgleitreibungsfreie Zufuhr des textilen Fasermaterials zur Imprägniervorrichtung sichert reproduzierbare Ergebnisse, ermöglicht also die Herstellung von Bauteilen mit einem gleichbleibend hoch qualitativen Faser-Matrix-Verbund.
Weiterhin vorteilhafterweise kommt die Vorschubeinheit nicht mit noch nicht ausgehärtetem Polymer und/oder Suspension in Kontakt, was einen wesentlich geringeren Reinigungsaufwand mit sich bringt.
Durch die erst nach der Ablage erfolgende Polymerisation und Aushärtung des getränkten Fasermaterials mit der Aushärtung des mineralischen Matrixmaterials wird neben dem mechanischen zusätzlich ein hochfester stoffschlüssiger Verbund generiert und nachweislich der Faserbetonverbund erhöht. Die Erhöhung der Verbundspannung geht vorteilhafterweise mit einer Verbesserung der Tragfähigkeit einher, was wiederum vielfache Anwendungsmöglichkeiten im Leichtbau eröffnet.
Vorzugsweise weist die Vorschubeinheit wenigstens eine angetriebene Vorschubrolle und wenigstens ein gegen die wenigstens eine Vorschubrolle gespanntes Gegendruckelement auf, zwischen welchen das textile Fasermaterial verläuft.
Die wenigstens eine Vorschubrolle wird bevorzugt elektromotorisch angetrieben und in Rotation versetzt.
Das wenigstens eine Gegendruckelement wird bevorzugt durch eine Feder gegen die wenigstens eine Vorschubrolle gespannt und kann somit, wenn das Gegendruckelement auch eine Rolle ist, in eine zur Rotation der Vorschubrolle gegenläufig verlaufende Rotation versetzt werden. Das zwischen der Vorschubrolle und dem Gegendruckelement verlaufende textile Fasermaterial wird durch die Rotation mitgeführt und von der Fasermaterialliefereinheit abgezogen.
Vorzugsweise weisen die wenigstens eine Vorschubrolle und das wenigstens eine Gegendruckelement an ihren Außenoberflächen elastische Kontaktbereiche auf, mit welchen sie auf das textile Fasermaterial wirken. Die elastischen Kontaktbereiche können beispielsweise gummiert sein. Vorteilhafterweise wird das textile Fasermaterial durch die elastischen Kontaktbereiche möglichst wenig beansprucht.
Bevorzugt weist die Vorschubeinheit wenigstens eine das textile Fasermaterial in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials mit Druckluft beaufschlagende Luftdüse auf. Die Luftdüse ist derart angeordnet, dass das textile Fasermaterial durch die von der Luftdüse abgegebene Druckluft in die Imprägniervorrichtung gedrückt wird.
Vorteilhafterweise wird dadurch die Anzahl der Bauteile minimiert, mit denen das textile Fasermaterial in Kontakt kommt, und eine unnötige Beanspruchung des textilen Fasermaterials wird vermieden.
Vorteilhafterweise ist in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Vorschubeinheit eine Klemmvorrichtung zum Klemmen des textilen Fasermaterials angeordnet.
Die Klemmvorrichtung weist bevorzugt eine mitlaufende, nicht angetriebene Walze und eine Gegenfläche auf, zwischen welchen sich eine Klemmstelle bildet. Alternativ kann die Klemmvorrichtung ein Klemmwalzenpaar aufweisen, wobei sich eine Klemmstelle zwischen den beiden Klemmwalzen des Klemmwalzenpaares bildet. Das textile Fasermaterial wird durch die Klemmstelle geführt, wodurch ein unkontrolliertes Abziehen des textilen Fasermaterials von der Fasermaterialliefereinheit und/oder ein „Schlingern“ des textilen Fasermaterials vermieden wird. Vorteilhafterweise sind die nicht angetriebene Walze und die Gegenfläche oder die beiden Klemmwalzen eines Klemmwalzenpaares der Klemmvorrichtung in ihrem Abstand zueinander veränderbar angeordnet, sodass die jeweils ausgebildete Klemmstelle in ihrer Größe variabel einstellbar ist.
Die Klemmvorrichtung kann elastische Kontaktbereiche aufweisen, die auf das textile Fasermaterial wirken.
Vorzugsweise weist die Imprägniervorrichtung ein rotationssymmetrisches Imprägnierbad auf, auf dessen Rotationsachse eine der Vorschubeinheit in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials nachfolgende Zentriereinheit ausgerichtet ist.
Das Imprägnierbad weist bevorzugt einen Imprägniermittelzulauf für das Polymer und/oder die mineralische Suspension auf, durch welchen das Polymer und/oder die mineralische Suspension kontinuierlich oder schrittweise nachgefüllt werden kann.
Bevorzugt ist das wenigstens eine Polymer wenigstens ein duroplastisches Harz und/oder ist die mineralische Suspension eine zement- und/oder puzzolanbasierte Suspension.
In einer puzzolanbasierten Suspension wirkt vorteilhafterweise das Puzzolan in Kombination mit einem Aktivator festigend, was zu einer besseren Anbindung des textilen Fasermaterials an die mineralische Matrix führt.
Die mineralische Suspension kann einen oder mehrere Binder und/oder ein oder mehrere Additive enthalten.
Vorteilhafterweise weist das Imprägnierbad eine im Längsschnitt entlang der Rotationsachse birnen- und/oder herzförmige Form auf. Dadurch wird in Zusammenhang mit einem Imprägniermittelzulauf eine gleichmäßige Durchtränkung des textilen Fasermaterials mit dem aushärtbaren Polymer und/oder der mineralischen Suspension gewährleistet.
Oberhalb des Imprägnierbades besteht bevorzugt ein Unterdruck, sodass ein Heraustropfen des aushärtbaren Polymers und/oder der mineralischen Suspension aus dem Imprägnierbad verhindert wird.
Insbesondere mündet das Imprägnierbad in eine Abstreifdüse. Das getränkte textile Fasermaterial verläuft durch die Abstreifdüse, wodurch überschüssiges aushärtbares Polymer und/oder überschüssige mineralische Suspension von dem textilen Fasermaterial abgestreift werden. Mittels der Abstreifdüse wird eine definierte Durchtränkung des textilen Fasermaterials gewährleistet und ein Tropfen oder Verkleckern überschüssiger Imprägnierflüssigkeit vermieden.
Die Fläche der Öffnungsweite der Abstreifdüse ist bevorzugt 5 % bis 20 %, besonders bevorzugt 10 % größer als die Schnittfläche des textilen Fasermaterials.
In einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Abstreifdüse einen zentralen Bereich auf, durch den das getränkte textile Fasermaterial verläuft. Der zentrale Bereich ist dabei von einem davon getrennten Randbereich umgeben, durch den ein noch nicht ausgehärtetes mineralisches Matrixmaterial gedrückt wird.
Das mineralische Matrixmaterial liegt vorzugsweise in einem pumpbaren Verarbeitungszustand vor und weist eine definierte Grünstandsfestigkeit auf. Eine zusätzliche Schalung und/oder Bewehrung, wie beispielsweise ein Gitter, ist nicht notwendig.
Als mineralisches Matrixmaterial wird vorzugsweise Beton verwendet.
Alternativ können als mineralische Matrixmaterialien Mörtel, Lehm, Estrich und/oder andere pumpfähige Suspensionen zum Einsatz kommen.
Durch die Ausgabe von noch nicht ausgehärtetem mineralischen Matrixmaterial durch einen von dem zentralen Bereich getrennten Randbereich der Abstreifdüse wird das getränkte textile Fasermaterial vorteilhafterweise unmittelbar von dem noch nicht ausgehärteten Matrixmaterial umschlossen. Dies ist besonders von Vorteil, da somit beim anschließenden Polymerisieren und/oder Aushärten ein hochwertiger und stabiler Faser-Matrix-Verbund entsteht, der neben dem mechanischen auch einen stoffschlüssigen Verbund aufweist.
Weiterhin vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung, dass die Anzahl der Bauteile, welche mit noch nicht ausgehärteten Materialien in Kontakt kommen, reduziert wird.
Die Abstreifdüse kann weitere von dem zentralen Bereich getrennte Randbereiche zum Austragen weiterer Materialien aufweisen.
Bevorzugt sind die Vorschubeinheit und die Imprägniervorrichtung an einer Fasermaterialmanipulationsvorrichtung angebracht, die in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar ist.
Insbesondere ist die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung als Roboter oder als bewegter Roboterarm oder als Portal ausgebildet.
Die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung ist vorteilhafterweise frei über dem noch nicht ausgehärteten mineralischen Matrixmaterial bewegbar. Dadurch kann das getränkte textile Fasermaterial gezielt und lokal definiert in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial gebracht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung auf, die in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar ist. Durch die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung kann vorteilhafterweise wenigstens eine weitere Schicht des mineralischen Matrixmaterials auf das getränkte und in und/oder auf das mineralische Matrixmaterial gebrachte textile Fasermaterial gebracht werden. Dadurch ist ein effizienter schichtweiser Aufbau des auszubildenden textilbewehrten mineralischen Bauteils möglich.
Vorteilhafterweise ist die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar. Die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung kann unabhängig von der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung oder mit dieser gekoppelt bewegbar sein.
Bevorzugt ist die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung als Roboter oder als bewegter Roboterarm oder als Portal ausgebildet.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials nach der Imprägniervorrichtung eine Trennvorrichtung zum Durchtrennen des getränkten textilen Fasermaterials auf.
Die Trennvorrichtung kann einen Amboss und eine darauf zu bewegbare Klinge oder zwei aufeinander zu bewegbare Schneidmesser oder wenigstens eine rotierbare Klinge oder alternative geeignete Mittel zum Durchtrennen des textilen Fasermaterials aufweisen.
Vorteilhafterweise kann durch die Trennvorrichtung ein Durchtrennen des ausgegebenen getränkten textilen Fasermaterials in Teilstücke mit definierter Länge erfolgen.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Steuervorrichtung zum gemeinsamen Steuern der Vorschubeinheit, der Imprägniervorrichtung und der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung auf.
Insbesondere können durch die Steuervorrichtung die Fördergeschwindigkeit der Vorschubeinheit und die Bahngeschwindigkeit der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung aufeinander abgestimmt werden, sodass ein kontrolliertes und gezieltes Ablegen des getränkten textilen Fasermaterials ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist auch die Geschwindigkeit, mit der die Imprägniervorrichtung nachgefüllt wird, durch die Steuervorrichtung regelbar.
Insbesondere sind auch die Trennvorrichtung und/oder die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung durch die Steuervorrichtung steuerbar.
Durch die Anordnung der Vorschubeinheit in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung wird vorteilhafterweise eine nahezu vollständige Durchtränkung des textilen Fasermaterials gewährleistet. Dies ist primär auf eine Aufstauchung des textilen Fasermaterials vor der Imprägniervorrichtung zurück zu führen. Eine haftgleit-freie Zufuhr des textilen Fasermaterials zur Imprägniervorrichtung sichert reproduzierbare Ergebnisse.
Weiterhin vorteilhafterweise kommt die Vorschubeinheit nicht mit noch nicht ausgehärtetem Polymer und/oder Suspension in Kontakt, was einen wesentlich geringeren Reinigungsaufwand mit sich bringt.
Durch die erst nach der Ablage erfolgende Polymerisation und Aushärtung des getränkten Fasermaterials mit der Aushärtung des mineralischen Matrixmaterials wird neben dem mechanischen zusätzlich ein hochfester stoffschlüssiger Verbund generiert und nachweislich der Faserbetonverbund erhöht. Die Erhöhung der Verbundspannung geht vorteilhafterweise mit einer Verbesserung der Tragfähigkeit einher, was wiederum vielfache Anwendungsmöglichkeiten im Leichtbau eröffnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Figuren näher erläutert, ohne dabei auf diese beschränkt zu sein.
Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines textilbewehrten, mineralischen Bauteils; und
2: eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines textilbewehrten, mineralischen Bauteils.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Herstellung eines textilbewehrten, mineralischen Bauteils, mit welcher eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar ist.
Auf einer Fasermaterialliefereinheit 2 ist ein textiles Fasermaterial 1 aufgenommen. Das textile Fasermaterial wird durch eine Fasermaterialabzugseinheit von der Fasermaterialliefereinheit 2 abgezogen und in einer Imprägniervorrichtung 3 mit einem aushärtbaren Polymer und/oder einer mineralischen Suspension getränkt. Die Verarbeitungsrichtung A des textilen Fasermaterials 1 ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Das getränkte Fasermaterial 1 wird anschließend in noch nicht ausgehärtetem Zustand in und/oder auf ein noch nicht ausgehärtetes mineralisches Matrixmaterial 4 gebracht.
Als mineralisches Matrixmaterial 4 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel Beton verwendet, welcher in der dargestellten Ausführungsform in Form einer extrudierten Betonmatrix vorliegt. Die Polymerisation und Aushärtung des aushärtbaren Polymers und/oder der mineralischen Suspension findet zeitgleich mit der Verfestigung des mineralischen Matrixmaterials 4 statt. Dadurch wird neben dem mechanischen zusätzlich ein stoffschlüssiger Verbund generiert und somit der Faser-Matrix-Verbund erhöht.
Die Fasermaterialabzugseinheit ist erfindungsgemäß eine in der Verarbeitungsrichtung des textilen Fasermaterials 1 vor der Imprägniervorrichtung 3 angeordnete Vorschubeinheit 5.
Die Vorschubeinheit 5 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine erste angetriebene Vorschubrolle 51 auf, die, beispielsweise durch einen Elektromotor, in eine Rotation versetzt wird. Die Rotationsrichtung R der ersten Vorschubrolle 51 ist dabei durch einen Pfeil dargestellt.
Die Vorschubeinheit 5 weist weiterhin ein Gegendruckelement 52 auf, welches hier durch eine zweite Vorschubrolle 52 ausgebildet ist, welche gegen die wenigstens eine erste Vorschubrolle 51 gespannt wird. In der dargestellten Ausführungsform wird das Spannen durch eine Feder 53 realisiert.
Das textile Fasermaterial 1 verläuft dabei zwischen der ersten Vorschubrolle 51 und der zweiten Vorschubrolle 52. Die gegen die erste Vorschubrolle 51 gespannte zweite Vorschubrolle 52 wird, angetrieben durch die Rotation der ersten Vorschubrolle 51 ebenfalls in eine Rotation versetzt. Die Rotationsrichtung R' der zweiten Vorschubrolle 52 ist dabei gegenläufig zur Rotationsrichtung R der ersten Vorschubrolle 51.
Die erste Vorschubrolle 51 und die zweite Vorschubrolle 52 weisen vorteilhafterweise elastische Kontaktbereiche auf, mit welchen sie gegen das textile Fasermaterial 1 drücken. Durch die gegenläufige Rotation der ersten Vorschubrolle 51 und der zweiten Vorschubrolle 52 wird das zwischen der ersten Vorschubrolle 51 und der zweiten Vorschubrolle 52 verlaufende textile Fasermaterial 1 mitgenommen und somit von der Fasermaterialliefereinheit 2 abgezogen.
In der Verarbeitungsrichtung A des textilen Fasermaterials 1 ist vor der Vorschubeinheit 5 eine Klemmvorrichtung 61 angeordnet. Die Klemmvorrichtung 61 weist in der dargestellten Ausführungsform eine Klemmwalze 62 und eine Gegenfläche 63 auf. Zwischen der Klemmwalze 62 und der Gegenfläche 63 ist eine Klemmstelle 6 ausgebildet, durch welche das textile Fasermaterial 1 geklemmt geführt wird. Eventuell unkontrolliert von der Fasermaterialliefereinheit 2 abgezogene Bereiche des textilen Fasermaterials 1 werden durch die Klemmvorrichtung 61 abgebremst. Dies gewährleistet ein gleichmäßiges Abziehen des textilen Fasermaterials 1 von der Fasermaterialliefereinheit 2.
Gleichzeitig wird das textile Fasermaterial 1 in die in der Verarbeitungsrichtung A des textilen Fasermaterials 1 nach der Vorschubeinheit 5 angeordnete Imprägniervorrichtung 3 geschoben. Die Imprägniervorrichtung 3 weist ein rotationssymmetrisches Imprägnierbad 31 auf, welches das aushärtbare Polymer und/oder die mineralische Suspension enthält.
Das textile Fasermaterial 1 passiert zunächst eine Zentriereinheit 7, durch welche es auf eine parallel zu der Ausrichtung des textilen Fasermaterials 1 in dem Imprägnierbad 31 verlaufende Rotationsachse die Rotationsachse des Imprägnierbades 31 zentriert wird. In dem Imprägnierbad 31 wird das textile Fasermaterial 1 mit dem aushärtbaren Polymer und/oder der mineralischen Suspension getränkt. Dadurch, dass das textile Fasermaterial 1 durch die Vorschubeinheit 5 in die Imprägniervorrichtung 3 geschoben wird, kommt es zu einer Aufstauchung der Fasern des textilen Fasermaterials 1 und zu einer Vergrößerung der Abstände zwischen den einzelnen Filamenten des textilen Fasermaterials 1. Das textile Fasermaterial 1 wird dadurch vollständig mit dem aushärtbaren Polymer und/oder der mineralischen Suspension durchtränkt.
In der Verarbeitungsrichtung A des textilen Fasermaterials 1 nach der Imprägniervorrichtung 3 ist eine Abstreifdüse 8 angeordnet, durch die überschüssiges aushärtbares Polymer und/oder überschüssige mineralische Suspension von dem textilen Fasermaterial 1 abgestreift wird. Vorzugsweise ist die Fläche der Öffnungsweite der Abstreifdüse 8 5 % bis 20 %, besonders bevorzugt 10 % größer als die Schnittfläche des textilen Fasermaterials 1.
Die Vorschubeinheit 5 und die Imprägniervorrichtung 3 sind an einer Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 angebracht, welche in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar ist und/oder eine Ablage des getränkten textilen Fasermaterials 1 in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum ermöglicht. Bei der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 handelt es sich vorzugsweise um einen Roboter oder um einen bewegten Roboterarm oder ein Portal.
In der Verarbeitungsrichtung A des textilen Fasermaterials 1 vor der Klemmvorrichtung 61 ist an der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung eine Führungsöse 12 befestigt, durch welche das textile Fasermaterial 1 geführt wird.
Die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 kann frei über dem noch nicht ausgehärteten mineralischen Matrixmaterial 4 bewegt und das getränkte textile Fasermaterial 1 somit gezielt in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial 4 gebracht werden.
Das getränkte textile Fasermaterial 1 wird dabei mit einem Neigungswinkel α von 10° bis 50° in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial 4 gebracht. Der Neigungswinkel α spannt sich dabei zwischen einer in der Verarbeitungsrichtung A des getränkten textilen Fasermaterials 1 verlaufenden Längsachse der Abstreifdüse 8 und dem noch nicht ausgehärteten Matrixmaterial 4 oder, wie in 2 zu sehen, zwischen einer in der Verarbeitungsrichtung A des getränkten textilen Fasermaterials 1 verlaufenden Längsachse der Abstreifdüse 8 und der Oberfläche des Trägers oder der Unterlage 14, auf der das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial 4 und das getränkte textile Fasermaterial 1 aufzubringen sind, auf.
Alternativ weist die Abstreifdüse 8 einen zentralen Bereich auf, durch den das getränkte textile Fasermaterial 1 verläuft, und weist die Abstreifdüse 8 weiterhin einen von dem zentralen Bereich getrennten Randbereich auf, welcher den zentralen Bereich umgibt und durch den ein noch nicht ausgehärtetes mineralisches Matrixmaterial gedrückt wird. Bei dieser, in 1 nicht dargestellten Ausführungsform, erfolgt ein Ausbringen eines Materialverbundes, der aus getränktem textilen Fasermaterial 1 und dieses umgebenden, noch nicht ausgehärteten mineralischen Matrixmaterial besteht, auf einen Träger 14. Der Neigungswinkel α spannt sich dabei zwischen einer Austrittsöffnung der Abstreifdüse 8 und dem jeweils letzten Berührungspunkt zwischen dem aus dem getränkten textilen Fasermaterial 1 und dem noch nicht ausgehärteten Matrixmaterial 4 bestehenden Materialverbund und dem Träger 14, auf den dieser Materialverbund aufgebracht wurde, auf. Dies ist vergleichbar mit einer Stifthaltung beim Schreiben, wobei sich ein entsprechender Neigungswinkel zwischen der Längsachse des Stiftes und einem Untergrund, auf dem geschrieben werden soll, ergibt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform beträgt der Neigungswinkel α 0°, das heißt, hier ist die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 senkrecht zu dem Träger 14 ausgerichtet.
Wie es jedoch schematisch anhand der gestrichelten Linien gezeigt ist, wird die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 vorzugsweise mit einem Neigungswinkel α, der beispielsweise zwischen 10° und 50° beträgt, relativ zu dem Träger 14 geneigt ausgerichtet. Die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 wird beim Ausbringen des getränkten textilen Fasermaterials 1 dann in die Richtung weiterbewegt, in welcher die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 zum Träger 14 hin geneigt ist. Die Neigung als auch die Bewegungsrichtung der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 ist je nach herzustellendem Bauteil während des Verfahrens änderbar.
In der Verarbeitungsrichtung A des textilen Fasermaterials 1 nach der Abstreifdüse 8 ist eine Trennvorrichtung 11 angeordnet, durch die das getränkte textile Fasermaterial 1 getrennt werden kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Trennvorrichtung 11 ein Schneidmesser und einen Amboss auf, wobei der Amboss in der gezeigten Ausführungsform aus einem weichen Material, wie Gummi oder thermoplastischem Kunststoff, ausgebildet ist.
Die Vorrichtung 10 weist weiterhin eine Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung 16 auf, welche ebenfalls in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar ist und/oder eine Ablage des Matrixmaterials in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum ermöglicht. Die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung 16 kann in ihren Bewegungen auf die Bewegungen der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 abgestimmt sein.
Alternativ kann die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung 16 als ein weiterer Roboter oder Roboterarm oder als Portal ausgebildet sein, der/das getrennt von der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 bewegbar ist und/oder eine entsprechende Ablagebewegung ermöglicht.
Durch die Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung 16 kann wenigstens eine weitere Schicht des noch nicht ausgehärteten mineralischen Matrixmaterials 4 auf das getränkte und in und/oder auf das mineralische Matrixmaterial 4 gebrachte textile Fasermaterial 1 gebracht werden. Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der wenigstens einen weiteren Schicht zu einem Zeitpunkt, an dem die Polymerisation und Aushärtung des aushärtbaren Polymers und/oder der mineralischen Suspension und die Verfestigung des mineralischen Matrixmaterials noch nicht erfolgt sind, sodass das getränkte textile Fasermaterial 1 und beide Schichten des mineralischen Matrixmaterials nachfolgend aushärten.
Die Vorschubeinheit 5, die Imprägniervorrichtung 3 und die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Steuervorrichtung 13 gemeinsam gesteuert. Insbesondere wird auch die Trennvorrichtung 11 durch die gemeinsame Steuervorrichtung 13 angesteuert.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' zur Herstellung eines textilbewehrten, mineralischen Bauteils.
Eine Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 ist als erster Roboter ausgebildet, welcher in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar ist. Mit der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 wird ein getränktes, von einer Fasermaterialliefereinheit 2 abgezogenes textiles Fasermaterial 1 in oder auf ein noch nicht ausgehärtetes mineralisches Matrixmaterial 4 gebracht.
Eine Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung 16 ist als zweiter Roboter ausgebildet, welcher in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar ist. Mit der Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung 16 wird das noch nicht ausgehärtete Matrixmaterial 4 mit einer definierten Grünstandsfestigkeit aus einem Matrixmaterialbehälter 15 ausgebracht.
Das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial 4 und das getränkte textile Fasermaterial 1 werden im Wechsel auf einen Träger oder eine Unterlage 14 zu einem faser- und/oder textilbewehrten, mineralischen Bauteil geschichtet.
Die Bahngeschwindigkeiten und Bewegungsrichtungen der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung 9 und der Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung 16 werden durch eine gemeinsame Steuervorrichtung 13 gesteuert und aufeinander abgestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011052664 A1 [0005]
DE 102008040919 A1 [0006]
EP 3147393 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faser- und/oder textilbewehrten, mineralischen Bauteils, wobei bei dem Verfahren ein textiles Fasermaterial (1) von einer Fasermaterialliefereinheit (2) abgezogen, in einer Imprägniervorrichtung (3) mit wenigstens einem aushärtbaren Polymer und/oder einer mineralischen Suspension getränkt und in noch nicht ausgehärtetem Zustand in und/oder auf ein noch nicht ausgehärtetes mineralisches Matrixmaterial (4) gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Fasermaterial (1) von der Fasermaterialliefereinheit (2) mit einer Vorschubeinheit (5) abgezogen wird, die sich in Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials (1) vor der Imprägniervorrichtung (3) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Fasermaterial (1) von der Vorschubeinheit (5) zugspannungsfrei durch die Imprägniervorrichtung (3) geschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinheit (5) wenigstens eine rotativ angetriebene Vorschubrolle (51) und wenigstens ein gegen die wenigstens eine Vorschubrolle (51) gespanntes Gegendruckelement (52) aufweist, durch die das textile Fasermaterial (1) in die Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials (1) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinheit (5) wenigstens eine Luftdüse aufweist, die das textile Fasermaterial (1) derart mit Luft beaufschlagt, dass es in die Imprägniervorrichtung (3) gedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Fasermaterial (1) durch eine in der Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials vor der Vorschubeinheit (5) angeordnete Klemmstelle (6) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das wenigstens eine Polymer wenigstens ein duroplastisches Harz verwendet wird und/oder als die mineralische Suspension eine zement- und/oder puzzolanbasierte Suspension verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniervorrichtung (3) ein rotationssymmetrisches Imprägnierbad (31) aufweist, auf dessen Rotationsachse das textile Fasermaterial (1) mit einer der Vorschubeinheit (5) in der Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials (1) nachfolgenden Zentriereinheit (7) zentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Imprägnierbad (31) getränkte textile Fasermaterial (1) durch eine Abstreifdüse (8) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinheit (5) und die Imprägniervorrichtung (3) an einer Fasermaterialmanipulationsvorrichtung (9) angebracht sind und durch diese im Raum bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das getränkte und in und/oder auf das mineralische Matrixmaterial (4) gebrachte textile Fasermaterial (1) durch eine Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung (16) wenigstens eine weitere Schicht des mineralischen Matrixmaterials gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das getränkte textile Fasermaterial durch einen zentralen Bereich der Abstreifdüse (8) geführt wird, der von einem davon getrennten Randbereich umgeben ist, durch den das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial (4) gedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das getränkte Fasermaterial (1) in der Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials (1) nach der Imprägniervorrichtung (3) durch eine Trennvorrichtung (11) durchtrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinheit (5), die Imprägniervorrichtung (3) und die Fasermaterialmanipulationsvorrichtung (9) durch eine gemeinsame Steuervorrichtung (13) gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das getränkte textile Fasermaterial (1) in Abhängigkeit von einer Fördergeschwindigkeit der Vorschubeinheit (5) und/oder einer Bahngeschwindigkeit der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung (9) in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial (4) gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialaustrittsöffnung der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung (9) so zu einem Träger oder einer Unterlage (14), auf dem oder der das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial (4) vorliegt, in und/oder auf das getränkte textile Fasermaterial (4) gebracht werden soll, ausgerichtet wird, dass das getränkte textile Fasermaterial (1) mit einem Neigungswinkel (a) von 10° bis 50° in und/oder auf das noch nicht ausgehärtete mineralische Matrixmaterial (4) gebracht wird.
Vorrichtung (10, 10') zur Herstellung eines faser- und/oder textilbewehrten, mineralischen Bauteils, wobei die Vorrichtung eine Fasermaterialliefereinheit (2), auf der ein textiles Fasermaterial (1) aufgenommen ist, eine Fasermaterialabzugseinheit zum Abziehen des auf der Fasermaterialliefereinheit (2) aufgenommenen textilen Fasermaterials (1) und eine Imprägniervorrichtung (3) zum Tränken des textilen Fasermaterials (1) mit einem aushärtbaren Polymer und/oder einer mineralischen Suspension aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermaterialabzugseinheit eine in Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials (1) vor der Imprägniervorrichtung (3) angeordnete Vorschubeinheit (5) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinheit (5) wenigstens eine rotativ angetriebene Vorschubrolle (51) und wenigstens ein gegen die wenigstens eine Vorschubrolle (51) gespanntes Gegendruckelement (52) aufweist, zwischen welchen das textile Fasermaterial (1) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinheit (5) wenigstens eine das textile Fasermaterial (1) in der Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials (1) mit Druckluft beaufschlagende Luftdüse aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials (1) vor der Vorschubeinheit (5) eine Klemmvorrichtung (61), durch die das textile Fasermaterial (1) geführt wird, angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniervorrichtung (3) ein rotationssymmetrisches Imprägnierbad (31) aufweist, auf dessen Rotationsachse eine der Vorschubeinheit (5) in der Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials (1) nachfolgende Zentriereinheit (7) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Imprägnierbad (31) in eine Abstreifdüse (8) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifdüse (8) einen zentralen Bereich aufweist, durch den das getränkte textile Fasermaterial (1) verläuft und dass der zentrale Bereich von einem davon getrennten Randbereich umgeben ist, durch den ein noch nicht ausgehärtetes mineralisches Matrixmaterial (4) gedrückt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinheit (5) und die Imprägniervorrichtung (3) an einer Fasermaterialmanipulationsvorrichtung (9) angebracht sind, die in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Matrixmaterialmanipulationsvorrichtung (16) aufweist, die in wenigstens drei Freiheitsgraden im Raum bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in der Verarbeitungsrichtung (A) des textilen Fasermaterials (1) nach der Imprägniervorrichtung (3) eine Trennvorrichtung (11) zum Durchtrennen des getränkten textilen Fasermaterials (1) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuervorrichtung (13) zum gemeinsamen Steuern der Vorschubeinheit (5), der Imprägniervorrichtung (3) und der Fasermaterialmanipulationsvorrichtung (9) aufweist.