DE102020100814A1

DE102020100814A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Mischen und Zuleiten von Kunststoff zur Vakuum-Infusion in eine Form

Info

Publication number: DE102020100814A1
Application number: DE102020100814.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2021-07-15
Also published as: EP4090508A1; CN114945453A; US20230062758A1; WO2021144743A1

Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Mischen von Kunststoff aus flüssigen Komponenten in einem Mischer (8) und zum Fördern durch eine Leitung (10), insbesondere zur Vakuum-Infusion, in eine Form (12) mit einem Druck unterhalb von Umgebungsdruck oder einem anderen bestimmten Druck, der in der Form (12) nicht überschritten werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass- die Komponenten aus je einem Komponentenbehälter (22) von einer Pumpe (24) in einen Mischer (8) gepumpt und dort gemischt werden und dass- von einer Steuerung (26) diese Volumenströme so geregelt werden, dass sie die Komponenten dem Mischer (8) in einem bestimmten Verhältnis zuleiten, und dass- der Druckverlust in der Leitung (10), zwischen einem Drucksensor in einer der Komponentenzuleitungen (32) zum Mischer (8) und der Form (12), bestimmt wird und dass der Druck von dem Drucksensor gemessen und einer Steuerung (26) zugeleitet wird, die die Volumenströme unter Berücksichtigung des bestimmten Druckverlusts so regelt, dass die Pumpen (24) die Komponenten dem Mischer (8) in einem Druck zuleiten, der höchstens um den Druckverlust größer ist als Umgebungsdruck oder als ein anderer bestimmter Druck, der in der Form (12) nicht überschritten werden soll.Erfindungsgemäß ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die technische Verbesserung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Mischen von Kunststoff (insbesondere Duroplast) aus flüssigen Komponenten in einem Mischer und zum Fördern durch eine Leitung in eine Form, insbesondere zur Vakuum-Infusion, mit einem Druck unterhalb von Umgebungsdruck (oder unterhalb von einem anderen bestimmten Maximaldruck in der Form).
Nur zum Beispiel aber nicht zuletzt für die Herstellung von Windflügeln für Windkraftanlagen ist ein Herstellungsverfahren bekannt, das sogenannte Vakuum-Infusionsverfahren oder Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM), bei dem ein duroplastischer Kunststoff noch flüssig auf eine starre Form aufgetragen wird, die einer Außenseite, bei Windflügeln also zum Beispiel deren Vorder- oder Rückseite, des Bauteils komplementär entspricht. Dort durchtränkt der Kunststoff Faserlagen insbesondere aus Glas, so dass nach der Aushärtung des Duroplasten in der Form das Bauteil, insbesondere eine Bauteilschale, aus faserverstärktem Kunststoff entsteht. Der Kunststoff wird auf die starre Formfläche unter einer Folie aufgetragen, wo der Zwischenraum unter „Vakuum“ gesetzt, also mit Unterdruck beaufschlagt ist. Unter anderem sorgt dieser Unterdruck für Freiheit von Lufteinschlüssen im Kunststoff - die nach dessen Aushärtung Schwachstellen wären, sogar Sollbruchstellen des Bauteils sein könnten.
Besonders bei großflächigen Bauteilen wie zum Beispiel Windflügeln sind in diesem Verfahren verschiedene technische Probleme zu bewältigen. So erfordert zum Beispiel das Fließen des noch flüssigen Kunststoffs, insbesondere als Duroplast aus (mindestens) zwei flüssigen Komponenten gemischt, selbstverständlich ein Druckgefälle vom Mischer zur Form. In der Form im Zwischenraum unter der „Vakuumfolie“ darf der Druck aber Umgebungsdruck nicht übersteigen, nicht zuletzt auch, weil sonst die Form „aufgeblasen“ werden würde. Um dies zu überwachen, ist es bekannt und verbreitet, Drucksensoren in den Kunststoffzuleitungen und/oder an der Form vorzusehen. Diese allerdings messgenau zu halten, also insbesondere auch regelmäßig zu reinigen, stellt angesichts des gemischten - bereits reagierenden, in exothermer Reaktion, also unter Hitzeentwicklung aushärtenden - Kunststoffs als verunreinigender Flüssigkeit eine erhebliche Herausforderung dar: Regelmäßig müssen die Sensoren gereinigt und/oder ausgetauscht werden, weil sie durch gehärteten Kunststoff an den empfindlichen Messstellen ungenau und unbrauchbar geworden sind. Aber auch schon im funktionierenden Betrieb sind diese Sensoren nicht zuletzt auch in Ihrer erforderlichen Vielzahl nachteilig, denn, an jeder der mehreren Kunststoffzuleitungen und insbesondere den Einleitungsstellen in die Form eingesetzt, sind sie dort jeweils eine Herausforderung nur zum Beispiel betreffend Dichtigkeit und auch Zugänglichkeit, denn jeder dieser Sensoren muss über erhebliche Strecken verkabelt werden.
Auf einen bekannten Stand der Technik für ein solches Herstellungsverfahren richtet sich die EP2656991A2 . Der Duroplast wird in einem Mischkopf aus seinen Flüssigkomponenten gemischt und in einen Sammelbehälter mit elastischer Wandung gefördert. Dies ist eine Weiterentwicklung gegenüber dem sogenannten „Open-Bucket“-Verfahren, bei dem der gemischte Duroplast in einem offenen Behälter bevorratet wird - mit dem zusätzlichen Nachteil zum Beispiel, darin Umgebungsluft ausgesetzt zu sein, was möglicherweise zuvor durchgeführter Entgasung der Komponenten entgegen wirkt, weil das Gemisch erneut Luft und Luftfeuchtigkeit aufnimmt. Der so vorproduzierte, noch flüssig bevorratete Duroplast im Sammelbehälter steht also im Stand der Technik jedenfalls unter Umgebungsdruck - und das für das Fließen von dort zur Form erforderliche Druckgefälle benötigt einen - erheblichen - Unterdruck im Zwischenraum der Form, der nämlich sowohl Reibungs-Druckverlust in der (möglicherweise erheblich langen, nämlich zum Beispiel bei Windflügeln durchaus viele zig Meter messenden) Leitung als auch hydrostatischen Druck aufgrund von Niveau-Unterschied zwischen dem Vorratsbehälter und der Form kompensiert. Eine weitere Herausforderung dieser verbreiteten Technologie ist es, den bereits gemischten Kunststoff fließfähig zu halten - was das Verfahren verlangsamt: weil es zum Beispiel verbietet, schnell härtenden Duroplasten zu verwenden. Oder, anders gesagt, erfordert es, den Duroplast so „einzustellen“, dass seine Aushärtung derart verzögert ist, dass die Härtung sicher erst in der Form stattfindet, und nicht schon auf dem Fließweg dorthin. Diese Herausforderung ist besonders groß mit Blick auf den erwähnten, verbreiteten Vorratsbehälter des Standes der Technik (und zwar sowohl als „Open-Bucket“ wie auch gemäß EP2656991A2 ) :der darin gemischte Kunststoff in seinem kompakten Massevorrat stellt durch lokal konzentrierte thermische, nämlich exotherme Reaktion ein erhebliches Sicherheitsrisiko aufgrund von Hitze, giftiger Rauchentwicklung und Brand für Arbeiter und Umgebung dar.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung dafür zu schaffen, Kunststoff, insbesondere Duroplast-Komponenten, zu mischen und mit einem bestimmten Druck, insbesondere für Vakuum-Infusion unterhalb von Umgebungsdruck, in eine Form zu bringen - bei dem dessen Effizienz verbessert ist. Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren, das zum Beispiel ohne jegliche Bevorratung von bereits gemischtem Kunststoff auskommen kann - das Mischen also sozusagen „on-demand“ ermöglicht. Es ist ein Verfahren zum Mischen von Kunststoff (insbesondere von Duroplast) aus flüssigen Komponenten (insbesondere zwei oder mehreren - „Multi“ - Komponenten) in einem Mischer sowie zum Fördern durch eine Leitung insbesondere zur Vakuum-Infusion in eine Form mit einem Druck unterhalb von Umgebungsdruck (oder, zum Beispiel für ein anderes als das VARTM-Verfahren, nicht größer als ein anderer bestimmter Druck, der in der Form nicht überschritten werden soll). Erfindungsgemäß ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Das Vakuum-Infusionsverfahren wurde einleitend bereits beispielhaft beschrieben:

der Kunststoff wird noch flüssig auf eine starre Form aufgetragen, die einer Außenseite des Bauteils komplementär entspricht. Der Kunststoff wird auf die starre Formfläche unter einer Folie aufgetragen, wo der Zwischenraum unter „Vakuum“ gesetzt, also mit Unterdruck beaufschlagt ist. In diesem Zwischenraum durchtränkt der Kunststoff Faserlagen (zum Beispiel Gewebe und/oder Gelege, insbesondere aus Glas, aber auch zum Beispiel aus Kohlenstoff oder anderen Fasern), so dass nach der Aushärtung des Kunststoffs das Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff entsteht - und zwar insbesondere eine Bauteilschale (oder Halbschale), da nur die von der starren Form gebildete Seite reproduzierbar maßgenau ist und nicht die Folienseite. Das Vakuum in der Form sorgt dabei für das Absaugen von Luft als sonst später möglicherweise Schwachstellen bildenden Einschlüssen - und insbesondere auch für das Hineinziehen des flüssigen Kunststoffs in die Faserlagen als Matrix. In der Form im Zwischenraum unter der „Vakuumfolie“ darf der Druck aber Umgebungsdruck nicht übersteigen, nicht zuletzt auch, weil sonst die Folienseite der Form „aufgeblasen“ werden würde.

Erfindungsgemäß nun umfasst das Verfahren die Schritte, die Komponenten aus je einem Komponentenbehälter, insbesondere mittels einer Pumpe, in einen Mischer zu pumpen und dort zu mischen. Mittels einer (insbesondere speicherprogrammierbaren) Steuerung werden diese Volumenströme, insbesondere die (jeweilige) Pumpe, so geregelt, dass die Komponenten dem Mischer in einem bestimmten (Volumenstrom-)Verhältnis zugeleitet werden - vorzugsweise in dem Verhältnis, das der herzustellende Kunststoff erfordert. Vorzugsweise werden die Volumenströme, insbesondere jeweils, von einem Volumenstromzähler oder Massestromzähler insbesondere in einem Leitungsabschnitt zwischen Komponentenbehälter und Mischer gemessen und die Messwerte der Steuerung zugeleitet. Dabei wird von einer (insbesondere speicherprogrammierbaren) Steuerung der Volumenstrom (insbesondere wiederum die (jeweilige) Pumpe) - durch Messung des Drucks in mindestens einer der Komponentenzuleitungen - erfindungsgemäß zudem so geregelt, dass die Komponenten schließlich in die Form mit einem Druck eingeleitet werden, der kleiner ist als Umgebungsdruck (um, wie oben beschrieben, die Form nicht „aufzublasen“ - oder mit einem Druck kleiner als ein anderer bestimmter Druck, der in der Form nicht überschritten werden soll, zum Beispiel für ein anderes als das VARTM-Verfahren). Das heißt also, dass erfindungsgemäß so geregelt wird, dass der Druck im Drucksensor (erfindungsgemäß in der Materialzuführung des Mischers insbesondere im Mischkopf) sich so einstellt, dass er höchstens um den Druckverlust in der Leitung größer ist als der Druck (zum Beispiel Umgebungsdruck), der in der Form nicht überschritten werden soll - und zwar um den Druckverlust in derjenigen Leitung (oder einem Abschnitt davon - dazu später), die vom Drucksensor bis zur Form führt.
Wie dies erfindungsgemäß ermöglicht ist, dazu sogleich, zunächst aber schon sei ein erfindungsgemäß erreichter wesentlicher Vorteil beispielhaft erwähnt: durch die Druck-Kompensations-Steuerung kann der gemischte Kunststoff der Form mit größtmöglichem Druck zugeleitet werden, weil auch der Druckverlust der Schlauchlänge vom Mischer zur Form berücksichtigt wird.
Der Druck im flüssigen Kunststoff wird erfindungsgemäß vor dem Mischen gemessen, vorzugsweise von einem Drucksensor in (mindestens) einer der Komponentenzuleitungen zum Mischer (also im Materialzugang der einzelnen Komponenten zum Mischer, vorzugsweise gleich vor dem Mischer), möglicherweise direkt im sogenannten Mischkopf (dazu im Einzelnen später).
So ist der Drucksensor - ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil - nur einer der harmloseren noch nicht gemischten Flüssigkomponenten des Kunststoffs ausgesetzt, und nicht, wie im Stand der Technik dem bereits gemischten, bereits reagierenden, aushärtenden Kunststoff, der die Sensoren an den empfindlichen Messstellen regelmäßig ungenau und unbrauchbar macht.
Erfindungsgemäß regelt die Steuerung nach Eingabe und/oder Datenzuleitung des Leitungs-Druckverlusts die Komponenten-Volumenströme - und insbesondere den Volumenstrom in der Komponentenzuleitung mit dem Drucksensor, wenn nur in einer der Komponentenzuleitungen (mindestens) ein Drucksensor angeordnet ist - also insbesondere so, dass die Komponente (n) dem Drucksensor (und danach mit möglicherweise schon etwas abweichendem Druck dem Mischer) in einem Druck zugeleitet werden, der um höchstens den Leitungs-Druckverlust zwischen dem Drucksensor und der Form größer ist als Umgebungsdruck (oder als ein anderer bestimmter Druck, der in der Form nicht überschritten werden soll). So kann zum Beispiel im VARTM-Verfahren erfindungsgemäß sichergestellt werden, dass die Folienseite der Form nicht aufgeblasen wird, auch ohne den Druck in der Form, wie im Stand der Technik möglicherweise aufwändig an mehreren Stellen und insbesondere überhaupt irgendwo im bereits gemischten noch flüssigen Kunststoff messen zu müssen.
Wenn in beiden (oder mehreren) Komponentenzuleitungen ein Drucksensor (jeweils in Flussrichtung vorzugsweise gleich vor dem Mischer) angeordnet ist, werden diese bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens den gleichen Druck messen. Um zum Beispiel bei Ausfall eines Drucksensors das erfindungsgemäße Verfahren nicht abbrechen zu müssen, ist es aber besonders bevorzugt, einen zweiten Drucksensor nicht in der anderen (als der erfindungsgemäß mindestens einen) Komponentenzuleitung (wie soeben beschrieben), sondern zum Beispiel mittels eines (Leitungs-T-Stücks) in derselben Komponentenzuleitung anzuordnen (insbesondere als Ersatz nur zur Bereitschaft) .
Für das erfindungsgemäße Regelungsziel kann eine schnelle Regelung erforderlich sein, denn die Druckverhältnisse in insbesondere in einer VARTM-können sich schnell ändern. Dazu hat sich zum Beispiel eine PID-Regelung (aber auch andere schnelle Reglungen) als Bestandteil der erfindungsgemäßen Regelung vorteilhaft erwiesen.
Der Druckverlust in der Leitung zwischen dem Drucksensor und der Form (oder in einem bestimmten, insbesondere einem für den Druckverlust wesentlichen Abschnitt der Leitung) kann erfindungsgemäß gemessen (insbesondere offline, also zum Beispiel in einem Vorversuch bestimmt), insbesondere aber (auch) berechnet werden. Der Druckverlust entsteht aufgrund von bekannten strömungsmechanischen Gesetzmäßigkeiten, so dass dessen Messung und Berechnung möglich und objektiv sind, und insbesondere nicht irgendeinem menschlichen Ermessen unterliegen. Dabei werden erfindungsgemäß rheologische Effekte, dynamische Druckverluste, aufgrund zum Beispiel und insbesondere von Fluidviskosität und Flüssigkeitsreibung in der Leitung auch im Mischer berücksichtigt (möglicherweise auch in ihrer Temperaturabhängigkeit - insbesondere dann wird vorzugsweise auch die Temperatur während des Verfahrens von geeigneter Sensorik in der Umgebung und/oder in und/oder an den Leitungen gemessen, möglicherweise auch geregelt und/oder von der jeweiligen Steuerung berücksichtigt), aber besonders bevorzugt auch die hydrostatischen Verhältnisse, also Druckverlust (oder -zunahme) aufgrund der Höhe des Anstiegs (oder Gefälles) zwischen Druckmessstelle und Form.
Nochmals zusammengefasst, kann erfindungsgemäß somit zum Beispiel eine Form, die unter Vakuum steht, in kürzester Zeit so gefüllt werden, dass dennoch der Druck in der Form nicht auf oder insbesondere über Atmosphärendruck ansteigt - und dies, ohne den Druck in der Form zu messen oder anderswo im bereits gemischten Kunststoff. Erfindungsgemäß kann das Einbringen der Komponenten dabei so geregelt werden, dass Druckveränderungen, die zum Beispiel entstehen können durch Füllgrad der Form oder Dichte- oder Temperatur-Änderungen oder Änderungen am Applikationsschlauch „ausgeregelt“ werden: erfindungsgemäß kann so die Form immer mit hoher Geschwindigkeit gefüllt werden, ohne nämlich den gewünschten Druck (unterhalb Umgebungsdruck) zu überschreiten.
Dazu kann erfindungsgemäß in der Dosieranlage der Druck der Komponenten gemessen werden, und über eine Kompensationsrechnung kann der Messpunkt des Drucksensors so „verschoben“ werden, als wäre der Drucksensor direkt an der Form angeschlossen. So kann die Anlage den maximal möglichen Ausstoß regeln, der in dieser Vorrichtungsanordnung möglich ist.
In dieser Rechnung können insbesondere die Parameter Materialdaten, Materialtemperatur, Ausstoßleistung der gemischten Komponenten, Art, Aufbau und Länge des Applikationsschlauches berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß ist wie gesagt auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, also zum Mischen von Kunststoff aus flüssigen Komponenten in einem Mischer und zum Fördern durch eine Leitung in eine Form insbesondere zur Vakuum-Infusion mit einem Druck unterhalb von Umgebungsdruck (oder einem anderen bestimmten Druck, der in der Form nicht überschritten werden soll). Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst dem entsprechend:

- mindestens eine Pumpe, die eingerichtet ist, die Komponenten aus je einem Komponentenbehälter in einen Mischer zu pumpen, der eingerichtet ist, die Komponenten zu mischen, und
- eine (insbesondere speicherprogrammierbare) Steuerung, die eingerichtet ist, diese Volumenströme so zu regeln, dass die Komponenten dem Mischer in einem bestimmten Verhältnis zugeleitet werden und
- eine Eingabe- und/oder Messeinrichtung des Druckverlusts in (mindestens einem bestimmten Abschnitt) der Leitung zwischen einem Drucksensor in (mindestens) einer der Komponentenzuleitungen zum Mischer (also im Materialeingang zum Mischer) und der Form (nämlich insbesondere aufgrund von Reibung und unter Berücksichtigung der hydrostatischen Verhältnisse) und durch
- eine (insbesondere speicherprogrammierbare) Steuerung, die eingerichtet ist, unter Berücksichtigung eines bestimmten Druckverlusts den Volumenstrom in der Komponentenzuleitung des Drucksensors so zu regeln, dass diese Komponente dem Drucksensor (und von dort dem Mischer) in einem vom Drucksensor gemessenen Druck zugeleitet wird, der höchstens um den Druckverlust größer ist als Umgebungsdruck oder als ein anderer bestimmter Druck, der in der Form nicht überschritten werden soll.

Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, dass der mindestens eine Drucksensor unmittelbar vor dem Mischer in einer der Komponentenzuleitungen angeordnet ist, und zwar möglicherweise in einer Mischkopf-Baugruppe möglicherweise mit einer Antriebseinrichtung für einen dynamischen Mischereinsatz als Mischer (dazu später).
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass die Leitung einen Leitungsabschnitt oder Haupt-Leitungsstrang von der Messtelle oder von dem Mischer zu einem Leitungsverteiler aufweist sowie mehrere (auch unterschiedlich lange) Lokal-Leitungen, die von dort in die Form führen. So kann der gemischte Kunststoff vom Mischer durch den Haupt-Leitungsstrang zum Verteiler geleitet werden, um von dort verzweigt an mehreren Stellen unter die Folie in die Form eingeleitet zu werden. Als Druckverlust-Anteil in den Lokalleitungen wird dann vorzugsweise der Druckverlust-Anteil in der am schwächsten mit Druckverlust-behafteten Lokalleitung (zumeist, unter anderem bei gleichen Querschnitten, die kürzeste Leitung) bestimmt (nämlich gemessen und/oder berechnet) und der Steuerung beim Regeln zur Berücksichtigung zugeleitet. Da diese Lokalleitungen vom Verteiler parallel zueinander in die Form verlaufen, sorgt die Berücksichtigung nur einer der Lokalleitungen und insbesondere der mit dem schwächsten Druckverlust denk-logisch sicher dafür, dass die erfindungsgemäße Druckbilanz in jeder der Einleitungsstellenaus den Lokalleitungen in die Form zu einem Leitungsdruck führt, der geringer ist als Umgebungsdruck. Selbst das Berücksichtigen des Druckverlusts überhaupt nur in einem Leitungsabschnitt, zum Beispiel nur in dem Haupt-Leitungsstrang wird erfindungsgemäß sicher dafür sorgen. Denn in dem Leitungsabschnitt wird - wegen seiner logischerweise geringeren Länge als der Gesamtleitung auch ein geringerer Druckverlust bestimmt (insbesondere berechnet und/oder gemessen) werden. Da nun erfindungsgemäß der Volumenstrom so geregelt wird, dass der Druck stromaufwärts vom Mischer dort bei dem Drucksensor (höchstens) um den Druckverlust höher ist als Umgebungsdruck, wird (bei dann ja tatsächlich noch höherem Gesamtleitungsdruckverlust) der Eintritts-Flüssigkeitsdruck in die Form entsprechend deutlicher unter Umgebungsdruck (oder einem anderen bestimmten Maximaldruck) sein.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung kann, wie bereits erwähnt, ein herkömmlicher sogenannter Mischkopf mit dynamischer oder auch statischer Vermischung zum Einsatz kommen:

Auch zum Herstellen von Kunststoff vor seiner weiteren Verarbeitung wie auch nur zum Beispiel vor dem Einleiten in den Anguss einer Spritzgussform werden bei vielen Kunststoffen und insbesondere bei Duroplasten wie zum Beispiel Epoxy mindestens zwei flüssige Komponenten so mit einander vermischt, dass sich das entstandene insbesondere flüssige (oder auch zähflüssige, pastöse) Gemisch vernetzt. Das Weiterleiten zur Verarbeitung der Komponentenmischung erfolgt verbreitet durch eine rohrförmige Durchleitung, den - statischen - Mischeinsatz, mit Verwirbelungselementen in ihrem Innenraum, die hindurchströmendes Fluid umlenken, ablenken, lokal stauen, Turbulenzen erzeugen und/oder verwirbeln und somit durchmischen, und zwar möglicherweise lokal unmittelbar vor der Verarbeitung des Kunststoffs. In diesen Mischer hinein führen bekanntlich Zuleitungen insbesondere in der Anzahl der flüssigen Komponenten. In mindestens einer der Zuleitungen ist oftmals ein Drucksensor angeordnet, der den Fluiddruck in der noch ungemischten, also noch nicht reagierenden Komponente misst.

Erfindungsgemäß nun findet die Mischung lokal deutlich beabstandet von der Verarbeitung des Kunststoffs, insbesondere seiner Vakuum-Injektion in den Zwischenraum zwischen Form und Folie, statt. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung eignet sich allerdings auch ein derartiger herkömmlicher Mischkopf als Mischer im Sinne der Erfindung und gegebenenfalls sein (mindestens einer) Drucksensor als Sensor im Sinne der Erfindung. Dies gilt auch für den sogenannten dynamischen Mischer:

Zum möglichst gleichmäßigen, vollständigen Durchmischen der Komponenten hat es sich als vorteilhaft erwiesen und durchgesetzt, die Verwirbelungselemente in der rohrförmigen Durchleitung drehend auszugestalten. Bekannte Mischköpfe haben dann mindestens zwei Komponenten-Zuleitungen sowie einen Drehantrieb mit einer Antriebswelle. Eine solche Vorrichtung oder Mischmaschine ist dann angepasst, das rohrförmige Durchleitungselement (Mischerrohr) in fluiddichte Leitungsverbindung mit den Komponenten-Zuleitungen zu setzen, und eine Drehantrieb-Verbindungsstruktur mit einem Mischereinsatz (der üblicherweise eine Anzahl von Verwirbelungselementen aufweist und der zum Einsatz in das Durchleitungselement angepasst ist) in Drehantriebsverbindung zu setzen, wenn der Mischereinsatz in das Durchleitungselement eingesetzt und das Durchleitungselement in die Leitungsverbindung mit den Komponenten-Zuleitungen gesetzt ist. Eine solche Drehantrieb-Verbindungsstruktur an bekannten Mischereinsätzen ist in aller Regel eine im Wesentlichen radial zur Drehachse liegende Öffnung, in die ein Haken am Ende der Antriebswelle eingehakt wird, um die Antriebsverbindung herzustellen, oder zum Beispiel ein selbstschneidendes Gewinde am Ende der Antriebswelle, das sich in eine passende Axialbohrung an einem Ende des Mischereinsatzes hineinschneiden kann. Mischerrohr und Mischereinsatz, die zusammen auch Mischer genannt werden, aber auch die oben beschriebenen statischen Mischer, können (auch erfindungsgemäß) Einmal- oder Wegwerfartikel sein.

In den Komponentenbehältern kann ein Rührwerk (zum Beispiel zur Homogenisierung der Komponente) und/oder eine Heizung (zum Beispiel zum konstant Halten der Komponenten-Temperatur, die in der erfindungsgemäß Regelung berücksichtigt werden kann) vorgesehen sein. Die Komponentenbehälter können unter Vakuum stehen. Vor dem und schließlich bis zum Eintritt in die Form brauchen die Komponenten und der gemischte flüssige Kunststoff im erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr einer gasförmigen Atmosphäre ausgesetzt zu sein, sondern wenn überhaupt einem nicht mit Flüssigkeit gefüllten, angrenzenden Hohlraum, dann unter Vakuum.
Weitere Vorteile, Ausgestaltungen und Details der Erfindung werden im Folgenden in der Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 einen schematischen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Elementen eines erfindungsgemäßen Vorrichtungssystems und
2 eine geschnittene Seitenansicht eines Mischkopfes eines erfindungsgemäßen Vorrichtungssystems.

Gemäß 1 ist ein Ablaufplan 2 eines Verfahrens zum Mischen eines duroplastischen Kunststoffs aus zwei flüssigen Komponenten 4, 6 in einem Mischer 8 sowie zum Fördern durch eine Leitung 10 zur Vakuum-Infusion in eine Form 12 mit einem Druck unterhalb von Umgebungsdruck.
Der Kunststoff wird, noch flüssig, auf die starre Form 12 aufgetragen, die einer Außenseite des Bauteils, gemäß 1 einer Seite eines Windkraftanlagen-Flügels (nicht dargestellt) komplementär entspricht. Der Kunststoff wird auf die starre Formfläche 14 unter einer Folie 16 aufgetragen, wo der Zwischenraum 18 unter „Vakuum“ gesetzt, also mit Unterdruck 20 beaufschlagt ist. In diesem Zwischenraum 18 durchtränkt der Kunststoff Faserlagen (nicht dargestellt; zum Beispiel Gewebe und/oder Gelege, insbesondere aus Glas), so dass nach der Aushärtung des Kunststoffs das Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff entsteht (und zwar gemäß 1 eine Windflügel-Halbschale), da nur die von der starren Form 12, 14 gebildete Seite als Außenseite des zukünftigen Windflügels reproduzierbar maßgenau ist, und nicht die Folienseite. Das Vakuum 20 im Zwischenraum 18 in der Form sorgt dabei für das Absaugen von Luft als sonst späteren Schwachstellen bildenden Einschlüssen - und insbesondere auch für das Hineinziehen des flüssigen Kunststoffs in die Faserlagen als Matrix. In der Form im Zwischenraum 18 unter der „Vakuumfolie“ 16 darf der Druck aber Umgebungsdruck nicht übersteigen, nicht zuletzt auch, weil sonst die Folienseite 16 der Form „aufgeblasen“ werden würde.
Das Verfahren nun umfasst die Schritte, die Komponenten aus je einem Komponentenbehälter 22, mittels je einer Pumpe 24 im jeweiligen Komponentenbehälter 22, in den Mischer 8 zu pumpen und dort zu mischen. Mittels einer speicherprogrammierbaren Steuerung 26 werden diese Volumenströme (gemessen in Volumenstromzählern 25, durch Regelung der Pumpen 24 - Signalleitungen sind gestrichelt dargestellt) so geregelt, dass die Komponenten 4, 6 dem Mischer 8 in dem Verhältnis zugeleitet werden, das zum Herstellen des Duroplasten erforderlich ist. Dabei werden von der Steuerung 26 die Volumenströme (wiederum durch Regelung der Pumpen 24, und zwar in einer Priorisierung unterhalb der Regelung des Mischungsverhältnisses) zudem so geregelt, dass die Komponenten 4,6 dem Mischer 8 in einem Druck zugeleitet werden, der größer ist als Umgebungsdruck - und zwar größer höchstens um den Druckverlust in der Leitung vom Mischer 8 zur Form 12.
Der Druck im gemischten, flüssigen Kunststoff wird vor dem Mischen im Mischer 8 gemessen, von einem Drucksensor 30 in einer der beiden Komponentenzuleitungen 32 zum Mischer 8 (also bezüglich der Komponentenfließrichtung vor dem Mischer 8) im Mischkopf 28 (2; dazu im Einzelnen später). So ist der Drucksensor 30 nur einer der harmloseren, noch nicht gemischten Flüssigkomponente 4 ausgesetzt, und nicht, wie im Stand der Technik, dem bereits gemischten, bereits reagierenden, aushärtenden Kunststoff, der die Sensoren an den empfindlichen Messstellen regelmäßig ungenau und unbrauchbar macht. Der Druck beim Sensor 30 in der Komponentenzuleitung 32 der Komponente 4 unmittelbar vor dem Mischer 8 im Mischkopf 28 wird der Steuerung 26 zugeleitet. Aufbau des Mischkopfs 28 und Anordnung seiner Komponenten einschließlich Sensor 30 ergibt sich im abgebildeten Beispiel aus seiner Konstruktion für auch andere Verfahren zur Mischung von 2-Komponenten-Kunststoffen.
Der Druckverlust in der Leitung zwischen dem Drucksensor 30 und der Form 12 (oder zum Beispiel in einem für den Druckverlust wesentlichen Abschnitt 34 der Leitung 10, gemäß 1 bis zu einem Verteiler 34; dazu sogleich) kann vor Durchführung des eigentlichen Herstellungsverfahrens gemessen (also offline, zum Beispiel in einem Vorversuch bestimmt), insbesondere aber auch berechnet werden. Der Druckverlust entsteht aufgrund von bekannten strömungsmechanischen Gesetzmäßigkeiten, so dass dessen Messung und insbesondere auch die Berechnung möglich und objektiv sind, und insbesondere nicht irgendeinem menschlichen Ermessen unterliegen. Im Verfahren werden bei der Berechnung zum Beispiel rheologische, dynamische Druckverluste, etwa aufgrund von Fluidviskosität, Leitungsgeometrie und Flüssigkeitsreibung, in der Leitung berücksichtigt, aber insbesondere auch die hydrostatischen Verhältnisse, also Druckverlust (oder -zunahme) aufgrund der Höhe des Anstiegs (oder Gefälles) zwischen Druckmessstellen 30 und Form 12.
Nach Eingabe in eine Eingabevorrichtung 35 (und/oder Datenzuleitung) des Leitungs-Druckverlusts regelt die Steuerung 26 die Komponenten-Volumenströme in den Leitungen 32 also insbesondere so, dass die Komponenten 4, 6 dem Mischer 8 in einem Druck zugeleitet werden, der um höchstens den Leitungs-Druckverlust zwischen den Drucksensoren 30 und der Form 12 größer ist als Umgebungsdruck. So ist erfindungsgemäß sichergestellt, dass die Folienseite 16 der Form 12 nicht aufgeblasen wird - und zwar auch ohne den Druck im Zwischenraum 18 der Form und insbesondere überhaupt irgendwo im bereits gemischten noch flüssigen Kunststoff messen zu müssen (etwa an den Einleitungsstellen 36 in die Form 12, wie gemäß dem Stand der Technik; nicht dargestellt).
Die Leitung 10 hat, wie schon angedeutet, einen Leitungsabschnitt 34 oder Haupt-Leitungsstrang 34 von den Messtellen 30 zu einem Leitungsverteiler 38 sowie mehrere (unterschiedlich lange) Lokal-Leitungen 40, die vom Leitungsverteiler 38 in die Form 18 führen. So kann der gemischte Kunststoff vom Mischer 8 durch den Haupt-Leitungsstrang 34 zum Verteiler 38 geleitet werden, um von dort verzweigt an mehreren Stellen 36 unter die Folie 16 in den Zwischenraum 18 der Form 12 eingeleitet zu werden. Als Druckverlust-Anteil in den Lokalleitungen 40 wird dann vorzugsweise der Druckverlust-Anteil in der am schwächsten mit Druckverlust behafteten Lokalleitung bestimmt (nämlich gemessen und/oder berechnet) und der Steuerung 26 beim Regeln der Volumenströme zur Berücksichtigung zugeleitet. Da diese Lokalleitungen vom Verteiler 38 strukturell parallel zueinander in die Form 12 verlaufen, sorgt die Berücksichtigung nur einer der Lokalleitungen und insbesondere der mit dem schwächsten Druckverlust denk-logisch sicher dafür, dass die Druckbilanz in jeder der Einleitungsstellen 36 aus den Lokalleitungen 40 in die Form 12 einen Druck ergibt, der geringer ist als Umgebungsdruck. Selbst das Berücksichtigen des Druckverlusts überhaupt nur in einem Leitungsabschnitt, zum Beispiel nur in dem Haupt-Leitungsstrang 34 wird erfindungsgemäß sicher dafür sorgen. Denn in dem Leitungsabschnitt 34 wird - wegen seiner logischerweise geringeren Länge als der Gesamtleitung 10 auch ein geringerer Druckverlust bestimmt (insbesondere berechnet und/oder gemessen) werden. Da nun erfindungsgemäß der Volumenstrom so geregelt wird, dass der Druck stromaufwärts vom Mischer 8 an den Sensoren 30 gemessen (höchstens) um den Druckverlust höher ist als Umgebungsdruck, wird, bei dann ja tatsächlich noch höherem Gesamtleitungsdruckverlust, der Flüssigkeitsdruck an den Eintritten 36 in die Form 12, 18 entsprechend mehr unter Umgebungsdruck sein.
Im dargestellten Verfahren 2 mittels der dargestellten Vorrichtung kommt, wie bereits erwähnt, ein herkömmlicher sogenannter Mischkopf 28 zum Einsatz, wie er für auch andere Verfahren zur Mischung von 2-Komponenten-Kunststoffen Verwendung findet:

Auch zum Herstellen von Kunststoff vor seiner weiteren Verarbeitung wie auch nur zum Beispiel vor dem Einleiten in den Anguss einer Spritzgussform werden bei vielen Kunststoffen und insbesondere bei Duroplasten wie zum Beispiel Epoxy auch im Stand der Technik üblicherweise mindestens zwei flüssige Komponenten so mit einander vermischt, dass sich das entstandene insbesondere flüssige (oder auch zähflüssige, pastöse) Gemisch vernetzt. Das Weiterleiten zur Verarbeitung der Komponentenmischung erfolgt verbreitet durch eine rohrförmige Durchleitung (nicht dargestellt), den - statischen - Mischeinsatz, mit Verwirbelungselementen in ihrem Innenraum, die hindurchströmendes Fluid umlenken, ablenken, lokal stauen, Turbulenzen erzeugen und/oder verwirbeln und somit durchmischen, und zwar möglicherweise lokal unmittelbar vor der Verarbeitung des Kunststoffs. In diesen Mischer hinein führen bekanntlich Zuleitungen insbesondere in der Anzahl der flüssigen Komponenten. In mindestens einer der Zuleitungen ist zumeist ein Drucksensor angeordnet, der den Fluiddruck in der noch ungemischten, also noch nicht reagierenden Komponente misst.

Im Verfahren 2 nun findet die Herstellung (Mischung der Komponenten 4, 6) lokal deutlich beabstandet von der Verarbeitung des Kunststoffs, seiner Vakuum-Injektion in den Zwischenraum 18 zwischen Form 14 und Folie 16, statt. Im Verfahren 2 eignet sich allerdings auch ein derartiger herkömmlicher Mischkopf als Mischer im Sinne der Erfindung und gegebenenfalls sein (mindestens einer) Drucksensor 30 als Sensor im Sinne der Erfindung. Dies gilt auch für den (in 2 abgebildeten) sogenannten dynamischen Mischer 8 und Mischkopf 28:

Zum möglichst gleichmäßigen, vollständigen Durchmischen der Komponenten 4, 6 hat es sich als vorteilhaft erwiesen und durchgesetzt, die Verwirbelungselemente 42 in der rohrförmigen Durchleitung 44 drehend auszugestalten. Mischköpfe 28 haben dann mindestens zwei Komponenten-Zuleitungen 32 sowie einen Drehantrieb 46 mit einer Antriebswelle 47. Eine solche Vorrichtung 28 ist dann angepasst, das rohrförmige Durchleitungselement 44 (Mischerrohr) in fluiddichte Leitungsverbindung mit den Komponenten-Zuleitungen 32 zu setzen, und eine Drehantrieb-Verbindungsstruktur 48 mit einem Mischereinsatz 50 (der üblicherweise eine Anzahl von Verwirbelungselementen 42 aufweist und der zum Einsatz in das Durchleitungselement 44 angepasst ist) in Drehantriebsverbindung 48 zu setzen, wenn der Mischereinsatz 50 in das Durchleitungselement 44 eingesetzt und das Durchleitungselement in die Leitungsverbindung mit den Komponenten-Zuleitungen gesetzt ist. Eine solche Drehantrieb-Verbindungsstruktur an bekannten Mischereinsätzen 50 ist oft eine im Wesentlichen radial zur Drehachse liegende Öffnung (nicht dargestellt), in die ein Haken (nicht dargestellt) am Ende der Antriebswelle eingehakt wird, um die Antriebsverbindung herzustellen - abgebildet ist aber ein selbstschneidendes Gewinde 48 am Ende der Antriebswelle 47 in einer Bohrung 48 am Anfang des Mischereinsatzes 50. Mischerrohr 44 und Mischereinsatz 50, die zusammen auch Mischer 8 genannt werden, und auch die oben beschriebenen statischen Mischer (nicht dargestellt), können (auch erfindungsgemäß) Einmal- oder Wegwerfartikel sein.

In den Komponentenbehältern 22 kann ein Rührwerk 52 (zum Beispiel zur Homogenisierung der Komponente) und/oder eine Heizung 54 (zum Beispiel zum konstant Halten der Temperatur der Komponente) vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

2: Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Mischen von Kunststoff
4, 6: Zwei flüssige Komponenten
8: Mischer
10: Förderleitung
12: Form
14: Formfläche
16: Folie
18: Zwischenraum
20: „Vakuum“; Unterdruck
22: Komponentenbehälter
24: Pumpe
25: Volumenstromzähler
26: Speicherprogrammierbare Steuerung
28: Mischkopf
30: Drucksensoren Komponentenzuleitungen
32: zum Mischer 8 im Mischkopf 28
34: Für den Druckverlust wesentlicher Abschnitt; HauptLeitungsstrang der Leitung 10
35: Eingabe(vorrichtung)des Leitungs-Druckverlusts
36: Einleitungsstellen in die Form 12
38: Leitungsverteiler
40: Lokal-Leitungen
42: Verwirbelungselemente
44: rohrförmige Durchleitung; Mischerrohr
46: Drehantrieb
47: Antriebswelle
48: Drehantrieb-Verbindungsstruktur
50: Mischereinsatz
52: Rührwerk
54: Heizung

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

EP 2656991 A2 [0004]

Claims

Verfahren zum Mischen von Kunststoff aus flüssigen Komponenten (4, 6) in einem Mischer (8) und zum Fördern durch eine Leitung (10), insbesondere zur Vakuum-Infusion, in eine Form (12) mit einem Druck unterhalb von Umgebungsdruck oder einem anderen bestimmten Druck, der in der Form nicht überschritten werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass - die Komponenten aus je einem Komponentenbehälter (22) von einer Pumpe (24) in einen Mischer (8) gepumpt und dort gemischt werden und dass - von einer Steuerung (26) diese Volumenströme so geregelt werden, dass sie die Komponenten dem Mischer (8) in einem bestimmten Verhältnis zuleiten, und dass - der Druckverlust in der Leitung (10), zwischen einem Drucksensor (30) in einer der Komponentenzuleitungen (32) zum Mischer (8) und der Form (12), bestimmt wird und dass - der Druck in der Komponentenzuleitung (32) von dem Drucksensor (30) gemessen und einer Steuerung (26) zugeleitet wird, die unter Berücksichtigung des bestimmten Druckverlusts den Volumenstrom in der Komponentenzuleitung (32) des Drucksensors so regelt, dass die Pumpe (24) diese Komponente dem Drucksensor (30) in einem Druck zuleitet, der höchstens um den Druckverlust größer ist als Umgebungsdruck oder als ein anderer bestimmter Druck, der in der Form nicht überschritten werden soll.
Vorrichtung zum Mischen von Kunststoff aus flüssigen Komponenten (4, 6) in einem Mischer (8) und zum Fördern durch eine Leitung (10), insbesondere zur Vakuum-Infusion, in eine Form (12) mit einem Druck unterhalb von Umgebungsdruck oder einem anderen bestimmten Druck, der in der Form nicht überschritten werden soll, gekennzeichnet durch - mindestens eine Pumpe (24), die eingerichtet ist, die Komponenten aus je einem Komponentenbehälter (22) in einen Mischer (8) zu pumpen, der eingerichtet ist, die Komponenten zu mischen, und durch - eine Steuerung (26), die eingerichtet ist, diese Volumenströme so zu regeln, dass sie die Komponenten dem Mischer (8) in einem bestimmten Verhältnis zuleiten und durch - eine Eingabe- und/oder Messeinrichtung des Druckverlusts, zwischen einem Drucksensor (30) in einer der Komponentenzuleitungen (32) zum Mischer (8) und der Form (12), in der Leitung (10) und durch - eine Steuerung (26), die eingerichtet ist, unter Berücksichtigung des bestimmten Druckverlusts den Volumenstrom in der Komponentenzuleitung (32) des Drucksensors so zu regeln, dass diese Komponente dem Drucksensor (und von dort dem Mischer (8)) in einem vom Drucksensor (30) gemessenen Druck zugeleitet wird, der höchstens um den Druckverlust größer ist als Umgebungsdruck oder als ein anderer bestimmter Druck, der in der Form nicht überschritten werden soll.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (10) einen Leitungsstrang (34) von dem Mischer (8) zu einem Leitungsverteiler (38) aufweist sowie mehrere Lokal-Leitungen (40), die von dort in die Form (12) führen.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckverlust-Anteil in den Lokalleitungen (40) der Druckverlust-Anteil in der am schwächsten mit Druckverlust-behafteten Lokalleitung bestimmt und beim Regeln der Pumpen (24) der Steuerung (26) zur Berücksichtigung gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten (4, 6) im Komponentenbehälter (22) vor dem Durchführen des Verfahrens entgast wurde.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischer (8) ein Mischkopf (28) mit einer Antriebseinrichtung (46) für einen dynamischen Mischereinsatz (50) ist.