DE102020124168B4

DE102020124168B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserbündels

Info

Publication number: DE102020124168B4
Application number: DE102020124168.2A
Authority: DE
Inventors: Yannis Grohmann; Maik Titze
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2040-09-17
Also published as: DE102020124168A1

Abstract

Verfahren zum Aufspreizen eines eine Vielzahl von Einzelfasern aufweisenden Faserbündels (13), wobei das Faserbündel (13) kontinuierlich durch ein Flüssigkeitsbad (11) der Flüssigkeit (12) einer Aufspreizeinrichtung (10) in eine Bewegungsrichtung mittels einer Bewegungsvorrichtung der Aufspreizeinrichtung (10) bewegt wird, wobei durch die Flüssigkeit (12) eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel (13) ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass_mittels einer Heizvorrichtung der Aufspreizeinrichtung (10) die Flüssigkeit (12) im Flüssigkeitsbad (11) über den Siedepunkt erwärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufspreizen eines eine Vielzahl von Einzelfasern aufweisenden Faserbündels. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung hierzu.
Aufgrund der besonderen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faserverbundwerkstoffe als moderne Werkstoffe kaum mehr wegzudenken. Aber auch die Kombination von Fasermaterial und Kunststoffmaterial beim 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten bei der Herstellung komplexer Strukturen, ohne hierbei auf isotrope Werkstoffe zurückgreifen zu müssen. Sowohl bei der Herstellung von Faserverbundbauteile aus Faserverbundwerkstoffen sowie im 3D-Druck mit Faserverstärkung werden sehr häufig Faserrovings verwendet, die eine Art Faserbündel darstellen und aus einer Vielzahl von Endlosfasern, auch Filamente genannt, gebildet sind.
So ist aus der DE 10 2017 124 352 A1 eine Anlage zum Herstellen von 3-dimensionalen Strukturen bekannt, die zwei oder mehr unterschiedlichen Werkstoffe aufweisen. Dabei wird einem 3D-Druckkopf sowohl ein quasiendloses Fasermaterial, beispielsweise in Form von Rovings, als auch ein thermoplastisches Kunststoffmaterial zugeführt, die dann in einer Mischkammer münden, um dort das Fasermaterial mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial zu imprägnieren. Die so gebildete Materialmischung wird dann über einen Auslass des 3D- Druckkopfes extrudiert, um so die dreidimensionale Struktur herzustellen.
Insbesondere bei kontinuierlich bzw. zeitweise kontinuierlich verlaufenden Prozessen, wie beispielsweise der Extrusion von endlosfaserverstärkten Halbzeugen oder dem 3D-Druck (FFF, DED) von endlosfaserverstärkten Strukturen, stellt die qualitativ hochwertige und kontinuierliche Einbringung der Rovings in den Kunststoff eine große Herausforderung dar. Die Faserbündel (beispielsweise Kohlefasern oder Glasfasern) bestehen häufig aus mehreren 1000 bis 10.000 Einzelfasern mit einem Durchmesser zwischen 3 µm bis 8 µm und müssen mit dem flüssigen Kunststoff imprägniert (vollständig durchdrungen bzw. jede Einzelfaser ummantelt) und anschließend konsolidiert (geometrische Endkontur möglichst ohne Fremd- und Lufteinschlüsse durch Erstarren des Kunststoffes) werden.
Um ein möglichst gutes, d. h. vollständiges Imprägnieren des Faserbündels zu erreichen, sollte das Faserbündel vor dem eigentlichen Imprägnierprozess aufgespreizt werden, um so zwischen den einzelnen Einzelfasern des Faserbündels Hohlräume zu schaffen, in denen das Kunststoffmaterial eindringen und so möglichst viele Einzelfasern vollständig ummanteln kann.
Das Aufspreizen von Faserbündeln (beispielsweise Kohlenstofffaser-Rovings) zu dünnen, breiten Bändchen ist heutzutage ein Standardprozess und wird bei der Herstellung von Faserhalbzeugen angewendet. Besonders anspruchsvoll wird es dann, wenn sogenannte Thin-Ply Materialien hergestellt werden sollen, die ein Flächengewicht 40 g/m² und weniger aufweisen (bei normalen Faserrovings sind 130 g/m² bis 280 g/m² üblich).
Aus der DE 10 2007 012 607 A1 ist beispielsweise eine spreizt Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserfilamentbündels bekannt, bei der das Faserbündel über eine konvex gebogene Spreizkante kontaktbehaftet geführt wird. Dieses mechanische Aufspreizen mittels einer konvex gebogenen Spreizkante hat jedoch den Nachteil, dass das Fasermaterial eine mechanisch bedingte Reibbelastung an der Spreizkante erfährt, die zu Beschädigungen des Fasermaterials führen kann. Einzelne Filamente können dabei beschädigt werden, wodurch die Gefahr besteht, dass in einem nachgelagerten Ablegeprozesses oder Druckprozess die in dem Faserbündel durchtrennten Filamente abstehen und somit die Anlage beschädigen oder den Prozess zum Stillstand zwingen. Außerdem können Beschichtungen, die auf den einzelnen Filamenten aufgebracht oder auf dem gesamten Faserbündel aufgebracht wurden, aufgrund des kontaktbehafteten Reibschlusses abgeschrieben werden, was ebenfalls nachgelagerte Arbeitsprozesse negativ beeinträchtigen kann.
Die JP 2002 - 115 143 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auf-spreizen von Faserbündeln, bei denen die Faserbündel durch ein Flüssigkeitsbad geführt und dort einer mit einer Pumpe erzeugten Flüssigkeitsströmung quer zu den durchgeführten Faserbündeln ausgesetzt werden.
Die JP 2002 - 227 053 A beschreibt eine Anlage zum Aufspreizen von Faserbündeln, bei der die Faserbündel durch ein Flüssigkeitsbad geführt und hierin erzeug-ten Ultraschallwellen ausgesetzt werden.
Die US 2006 / 0 137 156 A1 betrifft ein Verfahren zum Aufspreizen von Faserbündeln, bei dem die Faserbündel in einer Bewegungsrichtung nacheinander mehre-ren Fluidströmungen ausgesetzt werden, um eine mehrstufige Aufspreizstrecke zu realisieren.
Die DE 197 39 331 A1 offenbart ein Verfahren zum Entschlichten und Vereinzeln von Fasern, bei dem die Fasern durch eine schwach alkalisch reagierende Lösung geführt und gleichzeitig einem elektrischen Feld ausgesetzt werden.
Die DE 100 07 543 A1 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Fasern, die zur Vorbereitung der Beschichtung durch ein elektrisches Feld bewegt werden, durch das Filamente der Fasern aufgespreizt werden.
Die WO 2018 / 178 857 A1 offenbart ein Verfahren zum Aufspreizen von Faserbündeln, bei dem die Faserbündel durch ein Flüssigkeitsbad gezogen werden, in welchem Flüssigkeitswellen oder turbulente Flüssigkeitsströmungen beispielsweise mittels einer rotierenden, gelochten Trommel erzeugt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und Vorrichtung anzugeben, mit denen Faserbündel aufgespreizt werden können, ohne die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu enthalten.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Aufspreizen eines eine Vielzahl von Einzelfasern aufweisenden Faserbündels vorgeschlagen, wobei erfindungsgemäß das Faserbündel kontinuierlich durch eine Flüssigkeit einer Aufspreizeinrichtung in eine Bewegungsrichtung bewegt wird, wobei durch die Flüssigkeit eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel ausgeübt wird.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass durch eine Flüssigkeit, durch die das Faserbündel bewegt wird, eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel ausgeübt werden kann, sodass die Faserbündel soweit aufgespreizt werden können, dass sie beispielsweise mit einem Kunststoffmaterial imprägniert werden können. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Aufspreizung zu einem sehr guten Imprägnierergebnis insbesondere bei Thin-Ply Materialien führt.
Dabei wird durch die Flüssigkeit eine Kraft auf das Faserbündel ausgeübt, wobei dies beispielsweise durch bewegende Flüssigkeitsströme oder durch im Zusammenhang mit der Flüssigkeit stehende andere Materialien erfolgen kann. Dies schließt mit ein, dass die Aufspreizkraft mittelbar oder unmittelbar durch die Flüssigkeit auf das Faserbündel ausgeübt wird. Mittelbar meint hierbei, dass mit der Flüssigkeit im Zusammenhang stehende Materialien (beispielsweise Gase) und/oder Eigenschaften eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel bewirken, wodurch die Aufspreizkraft somit zumindest mittelbar durch die Flüssigkeit bewirkt wird.
Die Flüssigkeit kann dabei ruhend sein (bspw. ein Flüssigkeitsbad), durch dass das Faserbündel hindurchgeführt wird. Dabei wird mittels der ruhenden Flüssigkeit mittelbar oder unmittelbar eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel ausgeübt. Die Flüssigkeit kann aber auch bewegend, fließend und/oder strahlförmig sein, wobei die sich bewegende, fließende und/oder strahlförmig bewegende Flüssigkeit auf das Faserbündel trifft und hierbei aufgrund der Relativbewegung zwischen Faserbündel und Flüssigkeit eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel ausgeübt wird. Auch von der Erfindung umfasst ist dabei die Kombination, dass sowohl eine ruhende als auch eine bewegende Flüssigkeit verwendet wird, um die Aufspreizkraft auszuüben.
Das Faserbündel kann dabei aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Basaltfasern, Aramidfaser und/oder Kunststofffasern gebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels einer Pumpe der Aufspreizeinrichtung ein Flüssigkeitsstrom der Flüssigkeit quer zur Bewegungsrichtung erzeugt wird, der auf das sich kontinuierlich bewegende Faserbündel einwirkt, um eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel auszuüben. Ein solcher Flüssigkeitsstrom kann beispielsweise in einem gasförmigen oder flüssigen Medium erzeugt werden. Dabei wird mittels der Bewegungsenergie des sich bewegenden Flüssigkeitsstroms eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel ausgeübt.
Dabei ist denkbar, dass von einem höher gelegenen Punkt aus die Flüssigkeit in einen tiefer gelegenen Punkt strömt (ähnlich einem Wasserfall). Zwischen dem höher gelegenen Punkt und dem tiefer gelegenen Punkt wird das Faserbündel durch die herabströmende Flüssigkeit geführt, wobei aufgrund der Bewegungsenergie der herabströmenden bzw. sich bewegenden Flüssigkeit eine entsprechende Aufspreizkraft auf das Faserbündel ausgeübt wird. Die Formulierung, dass das Faserbündel durch eine Flüssigkeit bewegt wird, schließt einen solchen Flüssigkeitstrom mit ein.
Denkbar ist aber auch, dass ein solcher Flüssigkeitsstrom zwischen zwei Punkten erzeugt wird, wobei die Flüssigkeit hierbei Unterdruck von dem ersten Punkt zu dem zweiten Punkt bewegt wird (dies kann beispielsweise horizontal oder schräg horizontal erfolgen). Auch hierbei wird das Faserbündel zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt hindurch bewegt, sodass das Faserbündel mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt und somit eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel aufgrund der unter Druck stehenden Flüssigkeit aufgebracht werden kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Faserbündel kontinuierlich durch ein Flüssigkeitsbad der Flüssigkeit in Bewegungsrichtung mittels einer Bewegungsvorrichtung der Aufspreizeinrichtung bewegt wird.
In Kombination hiermit ist es dabei vorteilhaft und denkbar, dass ein Flüssigkeitsstrom der Flüssigkeit innerhalb des (zusätzlichen) Flüssigkeitsbades erzeugt wird, durch das das Faserbündel hindurchgeführt wird. Das Faserbündel wird dabei durch den im Flüssigkeitsbad erzeugten Flüssigkeitsstrom hindurch bewegt, um eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel in dem Flüssigkeitsbad mithilfe des Flüssigkeitsstromes auszuüben. Es hat sich gezeigt, dass diese Ausführungsform sehr energieschonend und materialschonend das Faserbündel hinreichend aufspreizen kann. Natürlich ist aber auch die Ausführungsform ohne zusätzliches Flüssigkeitsbad denkbar.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels mindestens eines Aktuators der Aufspreizeinrichtung eine Druckwelle in dem Flüssigkeitsbad mit einer Wellenrichtung quer zur Bewegungsrichtung des Faserbündels erzeugt wird, um eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel auszuüben. Eine solche Druckwelle kann beispielsweise mittels eines Ultraschall-Aktuators erzeugt werden, um so beispielsweise akustische Sekundärströmungen in der Flüssigkeit zu erzeugen, die das Faserbündel umgeben, während das Faserbündel kontinuierlich gefördert wird. Hierdurch kann alternativ oder zusätzlich zu den anderen Möglichkeiten mittels der Flüssigkeit eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel ausgeübt werden. Es können jedoch auch andere Technologien und/oder (deutlich) niedrigere Frequenzen zur Druckwellengenerierung verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels einer Heizvorrichtung der Aufspreizeinrichtung die Flüssigkeit im Flüssigkeitsbad über den Siedepunkt erwärmt wird. Durch das Sieden der Flüssigkeit wird die dabei entstehende Gasblasenbildung genutzt, um eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel basierend auf der durch die Gasblasen erzeugten Verdrängung der Flüssigkeit auszuüben. In Kombination mit den weiteren Möglichkeiten, mithilfe der Flüssigkeit eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel auszuüben, kann der Effekt der Aufspreizkraft verstärkt werden.
Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass mittels einer Heizvorrichtung der Aufspreizeinrichtung das Faserbündel in einem Heizabschnitt, der sich zumindest teilweise im Flüssigkeitsbad der Flüssigkeit befindet, derart erwärmt wird, die das Faserbündel umgebende Flüssigkeit über den Siedepunkt erwärmt wird.
Durch das Aufheizen des Faserbündels derart, dass die das Faserbündel umgebende Flüssigkeit über den Siedepunkt erwärmt wird, beginnt die Flüssigkeit in unmittelbarer Umgebung zu dem Faserbündel und gegebenenfalls auch innerhalb des Faserbündels an zu sieden, wodurch beispielsweise Gasblasen in unmittelbarer Umgebung zu dem Faserbündel bzw. innerhalb des Faserbündels oder an dem Faserbündel entstehen können. Faserbündel können dabei beispielsweise mittels Strom, Laser, Infrarot, Heißgasgebläse oder durch Kontaktierung mit beheizten Körpern wie Umlenkungsstäbe oder Rollen erreicht werden. Es können somit Gasblasen direkt an einem Teil der Einzelfasern des Faserbündels entstehen, wodurch aufgrund der beim Entstehen der Gasblasen einhergehenden Verdrängung der Flüssigkeit eine Aufspreizkraft auf das Fasermaterial ausgeübt wird. Des Weiteren können Kavitationseffekte zum Ausüben einer Aufspreizkraft genutzt werden, die durch ein sehr schnelles Abkühlen der entstandenen Gasblasen in der Flüssigkeit entstehen.
Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn das Faserbündel elektrisch leitfähig ist und mittels der Heizvorrichtung ein Stromfluss im Heizabschnitt erzeugt wird, der eine Erwärmung des Faserbündels im Heizabschnitt bewirkt. Hierfür wird das Faserbündel mit wenigstens zwei Elektroden kontaktiert, an die eine elektrische Spannung angelegt wird, um den Stromfluss zu bewirken.
Durch den im Faserbündel erzeugten Stromfluss innerhalb eines Heizabschnittes, der sich zumindest teilweise in dem Flüssigkeitsbad befindet, kann basierend auf dem elektrischen Widerstand des elektrisch leitfähigen Fasermaterials das Faserbündel erwärmt werden. Dabei können in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien des Faserbündels sowie der Höhe der angelegten elektrischen Spannung das Faserbündel bzw. die Einzelfasern auch derart erwärmt werden, dass die das Faserbündel umgebende Flüssigkeit über den Siedepunkt erwärmt wird. Hierfür wird das elektrisch leitfähige Fasermaterial mit zumindest einer Elektrode und einer Gegenelektrode elektrisch kontaktiert, wobei zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode der Heizabschnitt ausgebildet wird, indem ein Stromfluss entsprechend erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels der Aufspreizeinrichtung eine Vielzahl von Gasblasen in dem Flüssigkeitsbad unterhalb des Faserbündels erzeugt werden, um in Zusammenwirkung der die Gasblasen umgebenden Flüssigkeit des Flüssigkeitsbades eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel auszuüben, wenn die Gasblasen im Flüssigkeitsbad aufsteigen. Hier wird der ähnliche Effekt genutzt wie beim Sieden der Flüssigkeit, um eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel auszuüben. Dabei können die aufsteigenden Gasblasen eine Art Auftriebsstrahlströmung bewirken, welche den Effekt der auf das Faserbündel ausgeübten Aufspreizkraft unterstützt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels einer Vakuumpumpe der Aufspreizeinrichtung der mit dem Flüssigkeitsbad zusammenhängende Umgebungsluftdruck gegenüber dem Atmosphärendruck verringert wird, um die Siedepunkt der Flüssigkeit herabzusetzen. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass eine Flüssigkeit verwendet wird, die eine geringere Siedetemperatur hat als 100°C, vorzugsweise weniger als 80°C, besonders vorzugsweise weniger als 50°C.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Faserbündel elektrisch leitfähig ist und mittels einer Bestromungseinrichtung ein Stromfluss in einem Aufspreizabschnitt erzeugt wird, wobei mittels einer Magnetvorrichtung der Aufspreizeinrichtung ein Magnetfeld im Bereich des Aufspreizabschnittes des Faserbündels derart erzeugt wird, dass mittels des Magnetfeldes eine Aufspreizkraft auf das stromdurchflossene Faserbündel ausgeübt wird. Denn das stromdurchflossene Faserbündel ist in dieser Ausführungsform ein elektrischer Leiter, der durch ein Magnetfeld geführt wird oder sich in einem Magnetfeld befindet, wobei auf die Ladungsträger des elektrischen Leiters eine Kraft (Lorentzkraft) ausgeübt wird. Durch entsprechende Ausrichtung des Magnetfeldes kann so die Richtung der Lorentzkraft so definiert werden, dass eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel ausgeübt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das aufgespreizte Faserbündel an mindestens einem Fixierelement geführt wird, um die Aufspreizung des Faserbündels zu fixieren. Ein solches Fixierelement kann bspw. eine Oberfläche aufweisen, über die das Faserbündel geführt wird. Das Fixierelement kann dabei feststehend sein. Denkbar ist aber auch, dass das aufgespreizte Faserbündel über ein bewegliches und in Teilbereichen mit der Faser mitbewegendes Fixierelement kontaktbehaftet geführt wird. Das Fixierelement kann bspw. ein mit Stegen versehenes Rad (ähnlich eines Schaufelrades) sein, welches ein zyklisches haften (greifen) der gespreizten Fasern durchführt (vorzugsweise in der Mitte der Spreizstrecke) und das so im Material fixierte Spreizergebnis weiterführt. Das Fixierelement kann aber auch eine Art Greiffinger sein, der durch ein Getriebe ein zyklisches Greifen und weiterführen ermöglicht. In der Mitte der Spreizstrecke wird vorzugsweise die beste Spreizung vorliegen.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Flüssigkeit einen Beschichtungsstoff enthält, der das aufgespreizte Faserbündel benetzt. Mittels dieser Ausführungsform wird es möglich, durch die Flüssigkeit insgesamt zwei Funktionen zu erzielen, nämlich das Ausüben eine Aufspreizkraft und das Benetzen des Faserbündels bzw. der Einzelfasern mit einem Beschichtungsstoff. Ein solcher Beschichtungsstoff kann beispielsweise eine Schlichte sein. Ein solcher Beschichtungsstoff kann bspw. ein Bindermaterial oder ein Matrixmaterial sein. Denkbar ist aber auch ein Teil eines Matrixmaterials, bspw. ein Härter oder ein Reaktionsbeschleuniger. Denkbar ist auch ein Hilfswerkstoff, der eine Weiterverarbeitung bei der Bauteilfertigung begünstigt. Denkbar ist auch ein Lösungsmittelstoff, der mit dem Faserbündel reagiert. Dies kann bspw. ein Stoff sein, der eine bereits aufgetragene Schlichte löst und/oder aufweist. Denkbar sind aber auch Lösungsmittelstoffe, die nach dem Spreizprozess sehr schnell verdampfen und den nachfolgenden Prozessschritt nicht beeinträchtigen bzw. beeinflussen.
Dabei kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Flüssigkeitsbäder vorgesehen sind, die unterschiedliche Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Funktionen beinhalten, wobei das Faserbündel nacheinander durch die einzelnen Flüssigkeitsbäder gezogen wird. Durch das Vermischen des mit der Flüssigkeit des ersten Flüssigkeitsbades benetzen Faserbündels mit der Flüssigkeit des zweiten Flüssigkeitsbades kann beispielsweise eine chemische Reaktion erreicht werden, die bestimmte Funktionen erfüllt und dabei eine späteren Imprägnierprozess vorbereitet oder unterstützt. So kann beispielsweise eine Schlichte aufgetragen oder abgetragen werden oder das Aufbringen einer neuen Schlichte vorbereitet, verbessert oder unterstützt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Faserbündel mittels einer Heizeinrichtung vor und/oder nach dem Hindurchführen des Faserbündels durch die Flüssigkeit erwärmt wird. Eine solche Heizeinrichtung kann so ausgestaltet sein, wie die bereits oben beschriebene Heizeinrichtung. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Heizeinrichtung mittels eines Stromflusses das Faserbündel erwärmt (in Art einer Widerstandsheizung).
So kann bspw. vor dem Hindurchführen des Faserbündels durch die Flüssigkeit das Faserbündel mit der Heizeinrichtung derart erwärmt werden, dass eine auf dem Faserbündel befindliche Schlichte gelöst, abgebrannt und/oder aufgeweicht wird, um so die Fasern des Faserbündels besser bzw. leichter Aufspreizen zu können.
So kann aber auch bspw. nach dem Hindurchführen des Faserbündels durch die Flüssigkeit das aufgespreizte Faserbündel mit der Heizeinrichtung derart erwärmt werden, dass die Fasern des aufgespreizten Faserbündels getrocknet werden und insbesondere keine Flüssigkeit auf dem Faserbündel bzw. den Fasern verbleibt. Nach dem Hindurchführen des Faserbündels ist die Heizeinrichtung demnach eine Trocknungseinrichtung.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Aufspeizeinrichtung zum Aufspreizen eines eine Vielzahl von Einzelfasern aufweisenden Faserbündels der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst, wobei die Aufspreizeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens wie vorstehend beschrieben eingerichtet ist.
Die Flüssigkeit kann eine chemische Reaktion mit der bereits bei der Herstellung der Fasern aufgetragenen Schlichte verursachen bzw. erzeugen. So kann diese z.B. an- oder aufgelöst werden um das Spreizergebniss positiv zu beeinflussen. Im Anschluss könnte eine bessere oder alternative oder einfach neue Schlichte aufgetragen werden. Vor dem Eintauchen in die Flüssigkeit kann es vorteilhaft sein, die Schlichte des Rovings zu verbrennen oder zumindest aufzuweichen und dann z.B. bereits vorgespreizt erst in das Fluidbad einzutauchen. Das Aufheizen kann durch direkte Widerstandserwärmung erfolgen. Nach dem Austreten aus dem Flüssigkeitsbad kann es notwendig sein den Roving schnell zu trocknen. Ein Aufheizen könnte auch für chemische oder andere physikalische Reaktion der aufgebrachten Flüssigkeiten vorteilhaft sein. Dies kann bspw. Durch direkte Widerstandserwärmung erfolgen. Im Bereich der Trocknungsstrecke, solange das Material noch eine erhöhte Temperatur hat, kann es optional mit einem Bindermaterial beaufschlagt werden, um es z.B. zusätzlich in seiner Geometrie zu fixieren oder für einen späteren Fertigungsprozess Haltekräfte bereitzustellen. Hierfür wird vorzugsweise ein thermoplastischer Binder verwendet der bei hohen Temperaturen schmelzflüssig wird und bei niedrigen Temperaturen aushärtet. Nach der Trocknungsstrecke kann das Material auf Spulen aufgewickelt werden oder direkt für einen Fertigungsprozess eingesetzt werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellung des Aufspreizverfahrens mittels Flüssigkeitsstrom in einer ersten Ausführungsform;
2 schematische Darstellung des Aufspreizverfahrens mittels Flüssigkeitsstrom in einer zweiten Ausführungsform;
3 schematische Darstellung des Aufspreizverfahrens mittels Gasblasen;
4 schematische Darstellung des Aufspreizverfahrens mittels Heizen;
5 schematische Darstellung des Aufspreizverfahrens mittels Druckwellen.

1 zeigt eine Aufspreizeinrichtung 10, die ein Flüssigkeitsbad 11 aufweist, in dem sich eine Flüssigkeit 12 befindet, durch die das aufzuspreizende Faserbündel 13 hindurchgezogen wird. Hierzu weist die Aufspreizeinrichtung 10 im Ausführungsbeispiel der 1 insgesamt vier Umlenkrollen 14 auf, die so angeordnet sind, dass das Faserbündel 13 zumindest abschnittsweise durch das Flüssigkeitsbad 11 hindurch bewegt werden kann. Die vier Umlenkrollen 14 sind dabei so angeordnet, dass das Faserbündel 13 in der in 1 dargestellten Querschnittsansicht hutförmig verläuft.
Zwischen der zweiten Umlenkrollen 14b und der dritten Umlenkrollen 14c ist im Ausführungsbeispiel der 1 am unteren Behälterrand eine Düse 15 angeordnet, die mit dem Flüssigkeitsbad 11 so in Wirkverbindung steht, dass die Flüssigkeit 12 an gesorgt und aus der Düse 15 wieder herausgedrückt werden kann, sodass in dem Flüssigkeitsbad 11 ein Flüssigkeitsstrom 16 erzeugt wird, der in Richtung Wasserlinie 17 ausgerichtet ist. Der Flüssigkeitsstrom 16 kreuzt dabei das durch das Flüssigkeitsbad 11 verlaufende Faserbündel 13 und erzeugt dabei eine auf das Faserbündel 13 wirkende Aufspreizkraft. Hierdurch wird das Faserbündel 13 auf gespreizt.
Die zweite Umlenkrollen 14b kann dabei beweglich in Richtung der dritten Umlenkrollen 14c ausgebildet sein, um innerhalb des Bereiches, in dem der Flüssigkeitsstrom 16 zum Aufspreizen auf das Faserbündel 13 trifft, die Faserspannung zu variieren und ein Aufspreizen ermöglichen. Diese Bewegung einer Umlenkrolle kann dabei bei allen Variationen der vorliegenden Erfindung genutzt werden, um die Faserspannung zu variieren und somit ein Aufspreizen der Fasern zu ermöglichen.
Vor der dritten Umlenkrollen 14c befindet sich des Weiteren ein Fixierelement 18, dass in Art einer Walze mit der Bewegung des Faserbündels 13 drehbar gelagert ist und dass Spreizergebnis fixieren soll. Hierzu wird das Faserbündel 13 nach dem Aufspreizen mittels des Flüssigkeitsstromes 16 an einer Oberfläche des Fixierelementes 18 entlang bewegt, wodurch es aufgrund der Reibkraft an der Oberfläche des Fixierelementes 18 in seiner aufgespreizten fixiert wird und so auf die dritte Umlenkrollen 14c geführt wird. Hierdurch wird das Aufspreizen des Faserbündels 13 entsprechend fixiert.
Die Oberfläche des Fixierelementes 18 kann dabei konvex gebogen sein, um ein Aufspreizen des Faserbündels 13 weiter zu unterstützen. Aufgrund der Anordnung innerhalb der Flüssigkeit 12 können dabei Beschädigungen an dem Fasermaterial minimiert werden, was letztlich auch darauf zurückzuführen ist, da bereits eine gewisse Aufspreizung vorliegt.
2 zeigt eine Ausführungsform, bei der Flüssigkeitsbehälter 11 lediglich als Auffangbecken dient und das Faserbündel 13 nicht direkt durch die Flüssigkeit gezogen wird. Vielmehr befindet sich die Düse 15 derart außerhalb, dass der Flüssigkeitsstrom 16 in der Luft erzeugt wird und in Richtung des Faserbündels 13 im Flüssigkeitsbecken strahlt. Der Flüssigkeitsstrom fungiert hier in Art eines Wasserfalls, wobei aufgrund der Bewegungsenergie des Flüssigkeitsstroms die Aufspreizkraft erzeugt wird.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem alternativ oder zusätzlich zu der 1 ein Blasengenerator 19 vorgesehen ist, um innerhalb des Flüssigkeitsbades einen Gasblasenstrom 20 zu generieren. Dieser Gasblasen Strom 20 wird dabei am unteren Behälterrand angeordnet und steigt Richtung Wasserlinie 17 auf, wobei der Gasblasenstrom 20 das durch die Flüssigkeit 12 hindurchgeführte Faserbündel 13 kreuzt.
4 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erste Umlenkrollen 14a eine Elektrode 21 und die vierte Umlenkrollen 14d eine Gegenelektrode 22 darstellen, die an eine elektrische Spannungsquelle 23 angeschlossen sind. Das Faserbündel 13 ist dabei ein elektrisch leitfähiges Fasermaterial, beispielsweise ein und Stoff Fasermaterial, sodass zwischen der ersten Umlenkrollen 14a und der vierten Umlenkrollen 14d ein Heizabschnitt gebildet wird, innerhalb dessen ein Stromfluss in dem Faserbündel 13 erzeugt wird.
Wird nun eine elektrische Spannung an die Elektrode 21 und/oder Gegenelektroden 22 mittels der elektrischen Spannungsquelle 23 angelegt, so wird ein Stromfluss zwischen der Elektrode 21 und der Gegenelektrode 22 bewirkt, wodurch sich das Fasermaterial 13 innerhalb des so gebildeten Heizabschnittes aufheizen. Die Flüssigkeit 12 erwärmt sich dabei aufgrund des Aufheizens des Faserbündels 13 über den Siedepunkt hinaus, sodass in unmittelbarer Umgebung zu dem Faserbündel 13 Gasblasen 24 entstehen, die eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel 13 ausüben können.
Denkbar ist hierbei aber auch, dass der gesamte Behälter mit der Flüssigkeit 12 aufgeheizt wird, und zwar über den Siedepunkt hinaus, wodurch sich in den gesamten Flüssigkeitsbad 11 Gasblasen bilden, die eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel 13 ausüben können.
Dabei kann eine (nicht dargestellte) Magnetvorrichtung vorgesehen sein, die ein Magnetfeld innerhalb der Flüssigkeit 12 derart erzeugt, dass das Faserbündel 13 durch das Magnetfeld hindurchgeführt wird. Aufgrund des Stromflusses kann dabei, wenn die Magnetvorrichtung das Magnetfeld in der entsprechenden Ausrichtung erzeugt, eine Aufspreizkraft basierend auf der Lorentzkraft auf das Faserbündel 13 ausüben.
Dies kann alternativ oder zusätzlich zu den anderen Ausführungsformen der 1, 2 und 4 erfolgen.
5 zeigt schließlich eine Ausführungsform, bei der am unteren Behälterrand (vorteilhaft in geringem Abstand zum Faserbündel) eine Sonotrode 25 vorgesehen ist, um Druckwellen 26 in die Flüssigkeit 12 des Flüssigkeitsbades 11 einzukoppeln.
Die Druckwellen 26 werden dabei von der Sonotrode 25 so ausgesendet, dass sie quer bzw. schräg auf das Faserbündel 13 treffen. Durch diese Druckwellen wird stoßweise der Wasserdruck im Bereich des Faserbündels 13 verändert, sodass hierdurch eine Aufspreizkraft mithilfe der Flüssigkeit 12 auf das Faserbündel 13 aufgebracht werden kann. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch ein gutes Aufspreizergebnis erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Aufspreizeinrichtung
11: Flüssigkeitsbad
12: Flüssigkeit
13: Faserbündel
14: Umlenkrollen
15: Düse
16: Flüssigkeitsstrom
17: Wasserlinie
18: Fixierelement
19: Blasengenerator
20: Gasblasenstrom
21: Elektrode
22: Gegenelektroden
23: elektrische Spannungsquelle
24: Gasblasen
25: Sonotrode
26: Druckwelle

Claims

Verfahren zum Aufspreizen eines eine Vielzahl von Einzelfasern aufweisenden Faserbündels (13), wobei das Faserbündel (13) kontinuierlich durch ein Flüssigkeitsbad (11) der Flüssigkeit (12) einer Aufspreizeinrichtung (10) in eine Bewegungsrichtung mittels einer Bewegungsvorrichtung der Aufspreizeinrichtung (10) bewegt wird, wobei durch die Flüssigkeit (12) eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel (13) ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, dass_mittels einer Heizvorrichtung der Aufspreizeinrichtung (10) die Flüssigkeit (12) im Flüssigkeitsbad (11) über den Siedepunkt erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel (13) aus Kohlenstofffasern, Glasfasern, Basaltfasern, Aramidfaser und/oder Kunststofffasern gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Pumpe der Aufspreizeinrichtung (10) ein Flüssigkeitsstrom (16) der Flüssigkeit (12) quer zur Bewegungsrichtung erzeugt wird, der auf das sich kontinuierlich bewegende Faserbündel (13) einwirkt, um eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel (13) auszuüben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Aktuators der Aufspreizeinrichtung (10) eine Druckwelle (26) in dem Flüssigkeitsbad (11) mit einer Wellenrichtung quer zur Bewegungsrichtung des Faserbündels (13) erzeugt wird, um eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel (13) auszuüben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Heizvorrichtung der Aufspreizeinrichtung (10) das Faserbündel (13) in einem Heizabschnitt, der sich zumindest teilweise im Flüssigkeitsbad (11) der Flüssigkeit (12) befindet, derart erwärmt wird, die das Faserbündel (13) umgebende Flüssigkeit (12) über den Siedepunkt erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel (13) elektrisch leitfähig ist und mittels der Heizvorrichtung ein Stromfluss im Heizabschnitt erzeugt wird, der eine Erwärmung des Faserbündels (13) im Heizabschnitt bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Aufspreizeinrichtung (10) eine Vielzahl von Gasblasen (24) in dem Flüssigkeitsbad (11) unterhalb des Faserbündels (13) erzeugt werden, um in Zusammenwirkung der die Gasblasen (24) umgebenden Flüssigkeit (12) des Flüssigkeitsbades (11) eine Aufspreizkraft auf das Faserbündel (13) auszuüben, wenn die Gasblasen (24) im Flüssigkeitsbad (11) aufsteigen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Vakuumpumpe der Aufspreizeinrichtung (10) der mit dem Flüssigkeitsbad (11) zusammenhängende Umgebungsluftdruck gegenüber dem Atmosphärendruck verringert wird, um die Siedepunkt der Flüssigkeit (12) herabzusetzen, und/oder dass eine Flüssigkeit verwendet wird, die eine geringere Siedetemperatur hat als 100°C, vorzugsweise weniger als 80°C, besonders vorzugsweise weniger als 50°C.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel (13) elektrisch leitfähig ist und mittels einer Bestromungseinrichtung ein Stromfluss in einem Aufspreizabschnitt erzeugt wird, wobei mittels einer Magnetvorrichtung der Aufspreizeinrichtung (10) ein Magnetfeld im Bereich des Aufspreizabschnittes des Faserbündels (13) derart erzeugt wird, dass mittels des Magnetfeldes eine Aufspreizkraft auf das stromdurchflossene Faserbündel (13) ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgespreizte Faserbündel (13) an mindestens einem Fixierelement (18) geführt wird, um die Aufspreizung des Faserbündels (13) zu fixieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (12) einen Beschichtungsstoff enthält, der das aufgespreizte Faserbündel (13) benetzt, und/oder dass die Flüssigkeit einen Lösungsmittelstoff enthält, der mit dem Faserbündel (13) reagiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel (13) mittels einer Heizeinrichtung vor und/oder nach dem Hindurchführen des Faserbündels (13) durch die Flüssigkeit erwärmt wird.
Aufspeizeinrichtung zum Aufspreizen eines eine Vielzahl von Einzelfasern aufweisenden Faserbündels (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Aufspreizeinrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.