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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei sogenannten Towpreg-Bändern beim Abwickeln der Towpreg-Bänder von Spulen, wobei die Towpreg-Bänder aus einem oder mehreren parallel angeordneten und mit Matrixmaterial imprägnieren Rovings bestehen, und wobei ein Ende eines ersten Towpreg-Bandes mit einem Anfang eines zweiten Towpreg-Bandes verbunden wird.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verbindungsvorrichtung zum Verbinden von Towpreg-Garnen mit dem oben genannten Verfahren. Die Verbindungsvorrichtung ist zum Verbinden von zwei sogenannten Towpreg-Bändern beim Abwickeln der Towpreg-Bänder von Spulen, wobei die Towpreg-Bänder aus mehreren parallel angeordneten und mit Matrixmaterial imprägnieren Rovings bestehen, derart gestaltet, dass ein Ende eines ersten Towpreg-Bandes mit einem Anfang eines zweiten Towpreg-Bandes verbunden werden kann.
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Towpreg-Bänder bestehen aus einem oder mehreren parallel angeordneten Rovings, die mit Matrixmaterial imprägniert sind, wobei das Matrixmaterial noch nicht ausgehärtet ist. Solche Towpreg-Bänder werden zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Bausteilen verwendet, insbesondere für CFK-Bauteile. Als Roving werden Garnbündel aus parallelen, nicht verdrehten Verstärkungsfasern bezeichnet. Die Fasern können beispielsweise Kohlenstofffaser, Glasfasern, Aramidfasern oder andere Verstärkungsfasern sein. Ein Roving besteht aus mehreren Tausend Einzelfasern, üblich sind zum Beispiel Rovings mit 12.000 oder 24.000 oder noch mehr Einzelfasern. Das Matrixmaterial ist bevorzugt ein Duromer, beispielsweise ein Harz, insbesondere ein Epoxidharz. Alternativ kann als Matrixmaterial auch ein Thermoplast-Kunststoff verwendet werden.
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Vor allem bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen im Wickelverfahren werden Towpreg-Bänder verwendet, so zum Beispiel bei der Herstellung der äußeren Verstärkungsschicht von Drucktanks. Die Towpreg-Bänder werden hierfür auf Spulen aufgewickelt bereitgestellt und dann von diesen Spulen abgewickelt und der Wickelmaschine zugeführt. Beschrieben werden solche Wickelverfahren beispielsweise in der
WO 2017/167858 A1 oder in der
WO 2017/091613 A1 . Wenn das Towpreg-Band auf einer der Spulen zu Ende geht, muss das Ende dieses Towpreg-Bandes mit dem Anfang des Towpreg-Bandes einer neuen Spule verbunden werden, um den Wickelprozess fortzusetzen. Die Verbindung muss dabei so fest sein, dass sie die Zugspannung, die beim Wickelprozess auftritt, aushält. Im Stand der Technik wird das bisher dadurch gelöst, dass das Ende des Bandes mit dem Anfang des neuen Bandes verknotet wird. Nachteilig ist dabei unter anderem, dass die Verbindung manuell hergestellt werden muss. Das steht nicht nur einer Produktivitätssteigerung im Weg, sondern ist auch ein Qualitätsrisiko, da die Ausführung der Verbindung vom Bediener der Anlage abhängt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Verbindung der zwei Towpreg-Bänder und eine dafür passende Verbindungsvorrichtung anzubieten, so dass eine höhere Produktivität und eine gleichbleibende Qualität ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Anfang des zweiten Towpreg-Bandes in einem Überlappungsbereich über das Ende des ersten Towpreg-Bandes gelegt wird und dass das Matrixmaterial zumindest eines der Towpreg-Bänder in dem Überlappungsbereich an mehreren Verbindungsstellen lokal begrenzt erhitzt wird, wobei das Matrixmaterial dadurch an diesen Verbindungsstellen lokal reagiert und aushärtet, und somit die beiden Towpreg-Bänder lokal miteinander verbindet.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich einige Vorteile. Zunächst kann damit die Verbindung schnell hergestellt werden, das Verfahren ist gut zu automatisieren und es erzeugt genug Festigkeit in der Verbindung. Je nach Anforderung für die Zugspannung der Towpreg-Bänder im Wickelprozess kann die Fläche und Anzahl der Verbindungsstellen größer oder kleiner gewählt werden, so kann mit diesem Verfahren die Verbindung einfach an verschiedene Anforderungen angepasst werden. Da nur die Verbindungsstellen lokal ausreagieren und keine vollflächige Reaktion im Überlappungsbereich eintritt, ist noch genug Matrixmaterial vorhanden, das erst beim späteren Aushärteprozess des gewickelten Bauteils ausreagiert und dafür sorgt, dass das Bauteil im Bereich der Verbindung nicht übermäßig geschwächt wird.
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Zusätzlich ist es besonders vorteilhaft, dass der Bereich der Verbindung - hier der Überlappungsbereich - nicht zu steif wird. Aufgrund der nur lokalen Verbindungsstellen bleibt der Überlappungsbereich ausreichend flexibel, was wichtig ist für eine gute Bandführung im Wickelprozess.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass der Bereich der Verbindung der Towpreg-Bänder nicht viel dicker ist als die übrigen Bereiche. So gibt es dadurch keine Störung beim Aufbau der Wickelstruktur des Bauteils.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren so ausgeführt, dass an beiden Towpreg-Bändern das Matrixmaterial in dem Überlappungsbereich an mehreren Verbindungsstellen lokal begrenzt erhitzt wird, derart dass das Matrixmaterial dadurch an diesen Verbindungsstellen lokal reagiert und aushärtet. Dadurch werden die beiden Towpreg-Bänder an den Verbindungsstellen noch stabiler und zuverlässiger lokal miteinander verbunden.
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Besonders gut wird die Verbindung, wenn der Überlappungsbereich eine Länge in Bandlängsrichtung zwischen 10 mm und 100 mm, bevorzugt zwischen 20 mm und 50 mm aufweist. Diese Werte bieten einen guten Kompromiss zwischen Festigkeit und Flexibilität.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der Überlappungsbereich in Bandlängsrichtung mindestens drei Mal, bevorzugt mindestens fünf Mal so lang ist, wie die Breite der Towpreg-Bänder. Dadurch wird ebenfalls eine gute Festigkeit und Zuverlässigkeit bei ausreichender Flexibilität erreicht.
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Um eine gute Flexibilität zu erreichen ist es von Vorteil, die Verbindungsstellen als Linienmuster auszubilden, wobei die Linien im Wesentlichen quer zur Bandlängsrichtung angeordnet sind. Durch die querliegenden Verbindungslinien wird eine hohe Festigkeit der Verbindung erreicht und es bleibt gleichzeitig eine hervorragende Flexibilität bezüglich Krümmung des Towpreg-Bandes erhalten. Des Weiteren ist ein solches Linienmuster einfach über eine Heizeinrichtung aufzubringen.
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Alternativ können die Verbindungsstellen als Punktmuster ausgebildet sein. Das bietet noch mehr Flexibilität bei immer noch ausreichender Festigkeit der Verbindung. Zusätzlich bietet es den Vorteil, dass mehr unreagiertes Matrixmaterial übrigbleibt, welches erst bei der Aushärtung des Bauteils ausreagiert. Dadurch wird das Bauteil durch die Verbindung weniger geschwächt.
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Die Verbindungsstellen können als regelmäßiges Muster ausgebildet sein, aber ebenso gut können sie als unregelmäßiges Muster aufgebracht werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Verbindungsstellen in der Fläche weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, besonders bevorzugt weniger als 2% des Überlappungsbereichs ausmachen. So wird eine gute Flexibilität der Towpreg-Bänder und eine geringe Schwächung im fertigen Bauteil erreicht. Als Untergrenze, um ausreichende Zugfestigkeit zu bekommen, kann ein Wert von mindestens 0,1%, bevorzugt von mindestens 0,5% der Fläche angesehen werden.
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Um eine schnelle und gute lokale Erhitzung der Verbindungsstellen zur erreichen, wird bevorzugt eine Heizeinrichtung verwendet, die mit Kontakt-Heizelemente oder Infrarot-Heizelemente oder mit Laser oder mit Ultraschall arbeitet.
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Für die Verbindungsvorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Ausführung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Die Verbindungsvorrichtung ist so ausgestaltet, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche ausführen kann und zeichnet sich dadurch aus, dass in der Verbindungsvorrichtung der Anfang des zweiten Towpreg-Bandes in einem Überlappungsbereich über das Ende des ersten Towpreg-Bandes gelegt werden kann. Wobei zumindest eine Heizeinrichtung vorhanden ist, welche derart ausgeführt ist, dass sie das Matrixmaterial zumindest eines der Towpreg-Bänder in dem Überlappungsbereich an mehreren Verbindungsstellen lokal begrenzt erhitzen kann, wobei das Matrixmaterial dadurch an diesen Verbindungsstellen lokal reagieren und aushärten kann, und somit die beiden Towpreg-Bänder lokal miteinander verbunden werden können.
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Mit der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung lassen sich die bereits beim Verfahren beschriebenen Vorteile erzielen.
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Besonders bevorzugt ist eine weitere Heizeinrichtung vorhanden, welche gegenüber von der ersten Heizeinrichtung angeordnet ist, und geeignet ist die Towpreg-Bänder in dem Überlappungsbereich von der gegenüberliegenden Oberfläche zu erwärmen. So können die beiden Towpreg-Bänder an den Verbindungsstellen von beiden Seiten erhitzt werden, was eine schnellere Herstellung der Verbindung, sowie eine festere und zuverlässigere Verbindung ermöglicht.
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Besonders gezielt und besonders schnell kann die Erhitzung der Verbindungsstellen erfolgen, wenn die Heizeinrichtung und/oder die weitere Heizeinrichtung als Kontakt-Heizelement oder als Infrarot-Heizelement oder als Laser-Heizelement oder als Ultraschall-Heizelement ausgeführt ist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Heizeinrichtung und/oder die weitere Heizeinrichtung derart gestaltet ist, dass die Erhitzung der Verbindungsstellen als Linienmuster und/oder als Punktmuster erfolgen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Verbindungsvorrichtung ist die Heizeinrichtung und/oder die weitere Heizeinrichtung derart gestaltet, dass die die Erhitzung der Verbindungsstellen in der Fläche weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, besonders bevorzugt weniger als 2% des Überlappungsbereichs ausmachen.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 Schematische Darstellung einer Verbindung zwischen zwei Towpreg-Garnen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden wurden
- 2 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verbindung zwischen zwei Towpreg-Garnen
- 3 Schematische Darstellung einer weiteren Verbindung zwischen zwei Towpreg-Garnen, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden wurden
- 4 Schematische Darstellung noch einer weiteren Verbindung zwischen zwei Towpreg-Garnen, die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden wurden
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Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche beziehungsweise analoge Bauteile oder Komponenten.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbindung von zwei Towpreg-Bändern, wie sie mit einem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung hergestellt werden kann.
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Solche Verbindungen sind notwendig, wenn beim Wickelprozess das Towpreg-Band auf einer Spule zu Ende geht und dieses Ende mit dem Anfang einer vollen Spule verbunden werden soll.
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Das erste Towpreg-Band 1 ist das zu Ende gehende Band auf einer ersten Spule. Das zweite Towpreg-Band 2 ist der Anfang einer neuen, vollen Spule, die zur Fortsetzung des Wickelprozesses verwendet werden soll. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden das Ende 3 und der Anfang 4 der jeweiligen Towpreg-Bänder 1,2 so übereinandergelegt, dass der Überlappungsbereich 10 entsteht. Dabei wird darauf geachtet, dass die Bandlängsrichtung des ersten Towpreg-Bandes 1 und die des zweiten Towpreg-Bandes 2 möglichst gut übereinstimmen. Der Pfeil zeigt die Transportrichtung zum Wickelkopf an, der das Towpreg-Band im Wickelprozess ablegt. Im Überlappungsbereich sind die lokalen Verbindungsstellen 11 angeordnet, an denen das Matrixmaterial eines oder beider Towpreg-Bänder 1,2 erhitzt wird, lokal reagiert und aushärtet. Dadurch werden die beiden Towpreg-Bänder an diesen Verbindungsstellen 11 miteinander verbunden. Hierbei ist es nicht wichtig, welches der beiden Towpreg-Bänder 1,2 oben oder unten im Überlappungsbereich liegt.
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Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsstellen 11 als regelmäßiges Linienmuster mit mehreren quer zur Bandlängsrichtung angeordneten Linien ausgeführt. Die Linien könnten auch in unregelmäßigen Abständen oder schräg zur Bandlängsrichtung angeordnet sein.
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Dadurch dass das Matrixmaterial an mehreren Verbindungsstellen 11 nur lokal ausreagiert, bleibt zum einen der Überlappungsbereich 10 ausreichend flexibel, so dass das Towpreg-Band störungsfrei im Wickelprozess verarbeitet werden kann, und zum anderen bleibt genug unreagiertes Matrixmaterial übrig, so dass das gewickelte Bauteil beim späteren Aushärten nicht übermäßig geschwächt wird.
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Die Verbindungsstellen müssen dabei so ausgelegt werden, dass die Verbindung ausreichend fest ist und die Zugspannung im Wickelprozess aushält.
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In der 2 ist eine Ausführung für die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung 5 dargestellt. Das Ende 3 des ersten Towpreg-Bandes 1 liegt über dem Anfang 4 des zweiten Towpreg-Bandes 2, so dass sie den Überlappungsbereich bilden, in dem die Verbindungsstellen angeordnet sind. Die Heizeinrichtung 6 und die weitere Heizeinrichtung 6.1 sind so angeordnet, dass sie die Oberseite beziehungsweise die Unterseite der Towpreg-Bänder 1,2 im Überlappungsbereich erwärmen können. Dabei sind sie erfindungsgemäß so ausgeführt, dass sie die Towpreg-Bänder 1,2 nur lokal an den Verbindungsstellen erhitzen. Diese Erhitzung kann durch Kontakt-Heizelemente oder durch Infrarot-Heizelement oder durch Laser oder durch Ultraschall erfolgen.
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Durch die lokale Erhitzung an den Verbindungsstellen reagiert das Matrixmaterial und härtet lokal aus, so dass eine lokale Verbindung zwischen dem Ende 3 und dem Anfang 4 entsteht, die ausreichend fest ist, dass das zweite Towpreg-Band 2 der neuen Spule vom zu Ende gehenden ersten Towpreg-Band 1 zum Wickelkopf gezogen wird. Dadurch kann der Wickelprozess ohne große Unterbrechung weitergeführt werden, was eine verbesserte Produktivität bei der Herstellung gewickelter Bauteile ermöglicht.
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3 zeigt schematisch eine andere Variante für die Verbindung der beiden Towpreg-Bänder 1,2. Hier sind die Verbindungsstellen 11a in Form eines regelmäßigen Punktmusters angeordnet.
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In der 4 ist eine weitere Variante für die Verbindung der beiden Towpreg-Bänder 1,2 gezeigt. Die Verbindungsstellen 11b sind als Muster unterbrochener Linien angeordnet.
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In allen Fällen kann alternativ ein unregelmäßiges oder ein anders gestaltetes, regelmäßiges Muster gewählt werden.
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Durch die Anordnung und Wahl der Verbindungsstellen kann die Festigkeit, die Flexibilität und der Einfluss auf die Struktur im gewickelten Bauteil in der gewünschten Weise beeinflusst werden.
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Weiterhin können durch die Länge und die Größe des Überlappungsbereiches ebenfalls die oben genannten Parameter gezielt beeinflusst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Towpreg-Band
- 2
- zweites Towpreg-Band
- 3
- Ende des ersten Towpreg-Bandes
- 4
- Anfang des zweiten Towpreg-Bandes
- 5
- Verbindungsvorrichtung
- 6
- Heizeinrichtung
- 6.1
- weitere Heizeinrichtung
- 10
- Überlappungsbereich
- 11,11a, 11b
- lokale Verbindungsstellen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017167858 A1 [0004]
- WO 2017091613 A1 [0004]
