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Verfahren und Vorrichtung zum Heraltellen von faserverstärkten Laminaten,
sowie nach dem Verfahren hergestelltes Laninat Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Herstellen von faserverstäkten Laminaten, vorzugsweise
von solchen in Streifenform.
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Bekannte, hauptsächlich glasfaserverstärkte Laminate in Streifenform
weisen Längsfasern auf, die
in einer Bettung aus einem Polyester-
oder Epoxharz festgehalten sind und gegebenenfalls wie bei einem Gewebe durch Schussfasern
zusammengehalten sind. Wei ter sind Laminate in Streifenform bekannt geworden, die
nur In Längsrichtung verlaufende, Jedoch durch Anbringung einer Zugkraft bei der
fertigung vorgespannte Faserstränge aufweisen.
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Solche Laminate weisen eine relativ gute Flexibilität in Längsrichtung
auf, sind jedoch in Querrichtung wenig wiederstandsfähig und lassen auoh nur eine
geringe Torsionsbeanspruchung zu, wie dies fUr eine Reihe von Anwendungen gefordet
wird. Insbesondere bei Laminaten für die Aufbau von Profilen, die für die Erstellung
von Abschrankungen oder die Herstellung von Kunststoffskis benützt werden sollen,
sind sowohl in Längs- als auch in Querrichtung grosse Zugfestigkeit und Elasrizität
neben einer vorzüglichen Torsionsfestigkeit und Torsionsflexibilität gefordert.
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Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von diese
Eigenschaften aufweisenden Laminaten zu schaffen, die gleichzeitig auch die Vorzüge
geringen Gewichtes und der Möglichkeit einer präzisen Fertigung, insbesondere besüglich
der Einhaltung von Diekentoleransen bieten.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch
gekennzeichnet,
das die erste Vorlaminat-Stufe bildende Band mit in Querrichtung zu diesem laufende
udn das Band von Seite zu Seite kontinuierlich umschlingende zweite Faseraträge
straff umwickelt wird, dass die durch die zweiten Faserstränge gebildeten Schichten
beidseits der ersten ersten Vorlaminatstufe auf letztere gepresst und mit Harzmasse
getränkt werden und dass das so gebildete Vorlaminat einer beheizten Prosseinrichtung
zugeführt wird, in welcher die Harzmasse ausgehärtet wird, wobei mindestens die
Schritte des Vorspannens der längsgerichteten ersten Faserstränge und des Umvickels
derselben mit den zweiter Fasersträngen in kontinuierlich arbeitenden Bearbeitungsstationen
durchgeführt werden.
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Unter Fasern im Sinne dieser Patentschrift sollen nicht nur alle
für die Laminatfertigung unter Verwendung von Duromer-Harzen geeigneten Natur- und
Kunststoffssern verstanden werden. An deren Stelle können auch Einzel- oder verkabelte
Dränte aus hiefür geeigneten Metallen verwendet werden.
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Bekannte Laminate werden häufig in Form von Tafen hergestellt und
nachher zu Streifen geschnitten, oder als Streifen in einer des fertiges Produkt
entsprechenden Länge hergestellt, wobei die mögliche Streifenlänge weitgehend von
den Ausmassen vorhandener Presseinrivhtungen abhaängig ist. Zur Druchführung der
wenigstens teilweise
kontinuierlichen Fertigung gemäsz dem erfindungsgemässen
Verfahren wird indessen eine Vorrichtung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch
die Kombination einer Faseranliefereinrichtung, einer Einrichtung in der die vorher
mit Harz imprägnierten Faserstränge zu einem Band vereinigt werden, einer Umwickeleinrichtung
und einer Harzdosiereinrichtung zum Erstellen eines aus init Harzmasse imprägnierten
längs- und querlaufenden Fasern bestehenden Vorlaminates und einer Einrichtung zum
Pressen des Vorlaminates in eine bestimmte Form und Aushärten der Harzmasse in hintereinander
angeordneten Bearbeitungsstationen und einer Einrichtung zum Abziehen des fertigen
leinates aus den genannten vorgeschalteten Bearbeitungsstationen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargstellten
Ausführungsbeispieles für eine. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrene erläutert.
In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 in schematischer Darstellung einen ersten Abschnitt
einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens für die Hertstellung
eines mit einer einzelnen Faserlage verstärkten Laminates: Fig. 2 ebenfalls In schematischer
Darstellung einen gegenüber Fig, 1 erweiterten ersten Abschnitt einer Vorrichtung
für die Verstellung eines mit drei Vaeerlagen verstäkten Laminates: Fig. 3 in schematischer
Darstellung einen
Schlaussabschnitt einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgsmässen Verfahrens, und Fig. 3a eine Variante zur in der Fig. 3 dargestellten
Presseinrichtung.
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In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Spülenkasten, aus dem eine Anzahl Längsfaserstränge
2 abgezogen weden.
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Um den Längsfasersträngen eine rewize Vorspannung zu verleihen, werden
diese nach ihren Ablauf von den Vorratspulen a - 1 über gasamthaft mit 3 bezeichnete
Fadenbremsen gefürt, während die nötige Vorspannkraft in später beschriebener Weise
geliefert wird. Die Längsfasersträge (bei praktischen Ausführungsbeispielen natürlich
bedeuten mehr als in Fig. 1 gezeigt) gelangen anschliessend in ein herkömmliches
Webblatt 4, wo sie gerichtet werden, und durchlaufen anschliessend ein Harztränkbad
5 mit Umlenk- und Harzabstreifwalzen 6 und 7 wobei durch letztere die vorher imprägnierten
Faserstränge gegeneinander gedägt werden. Durch dir Harzaufnahme sind nun die vorgespannten
Fazerstränge bereits zu einem Band von einer gewissen Steifigkeit zusammengeklebt,
dessen Breite im wesentlichen den über das Webblatt 4 der von den Spulen a und 1
gelieferten kusseersten Fasers trängen entspricht, und durchqueren weiterlaufend
eine Wickelvorrichtung 8, deren Arbeitsprinzip aus der Kabelfertigung bekannt ist.
Sie trägt in einem umlaufenden, z. B. an der Peripherie drehbar gelagerten Rahmen
9 eine (zwei in der Fig. 1) Spulen 10 mit
Faserstrangmaterial und
weist eine zentrale Durchtritts-Öffnung ttlr die von der Harzabstreifwalze 7 ablaufenden,
bandförmig gerichteten Längsfaserstränge auf.
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Beim Betrieb der Einrichtung werdon die längzgerichteten Faserstränge
2 mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles A abgezogen. Gleichzeitig
rotiert die Wickelvorrichtung 8 tan ihre Achse, vobei von den Spulen 10 ablaifendes
Faserstrangmaterial um ein aus den Längasersträgen gebildetes Band 11 gelegt wird.
Die "Steigung" 8 der Querfaserstränge 12 hängt von der Vorschubgeschwindigkeit des
Bandes 11 und dessen Breite sowie der Umlaufgeschwindingkeit der Winckel-Vorrichtung
ab und kann durch geeignet (nicht gezeigt) Reguliereinrichtungen auf das gewünschte
Mass eingestellt werden. Praktisch realisierbare Vorschubgeschwindigkeiten sind
30 cm bis 2 m und mehr pro Minute. Schematisch dargestellte Speichereinrichtungen
13 in Verbindung mit einer Fserstrangführung 14 bewirken, dass trotz zyklischem
Auflegevorgangs an der Vorrstsspilen 10 ein angenähert kontinuierlicher Strangmaterialabzung
gesichert ist.
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cl das angestrebt Ziel der Querverstärkung des herzeustellenden Laminates
zu erreichen, ist es wesentlich, dass die Querfaserstränge 12 nicht lose, sondern
mit einer angemessenen Vorspannung d. h. also straff gewickelt werden.
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Es versteht sich, dass die Widerstandsfähigkeit des oben aus dem Harzbad
abgezogenen Bandes 11 gegen seitlich darauf einwirkende Kräfte g3ering ist. Andererseits
kann die in Richtung des Pfeiles A wirkende, von einer spätter noch zu beschreibenden
Abzugsvorrichtung geliefert Zugkraft nicht beliebig hohe Weite erreichen. Man hilft
sich dabei vorteilhaft dadurch, indem an einen oder mehrere der beidseitig aussenliegenden
Faserstränge bei 3 etwen stärker brwrt und damit eine "steifere" Bandkante erzielt.
Die bezüglichen Längsfaserstränge können zusätzlich etwas dicker gewählt werden
oder aus ein- andern, etwas steiferen Material als die innenliegenden Faserstränge
bestehen.
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Anschliessend gelangt das nun mit 15 bezeichnote Band unter ein Walzenpaar
16, durch welches die Querfaserstränge 12 auf die Längsfaserstränge 2 gepresst und
gleichzeitig zuverlässig in die Harzmasse eingebettet werden. Dabei wird auch allfällig
überschüssige Harzmasse ausgepresst, womit das Walzenpaar 16 auch die Funktion einer
(Vor-) Dosiereinrichtung ausübt.
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Das auf diese Weise vorrereitete Vorlaminat kann, wie später bezüglich
der Fig. 2 beschrieben, einem weiterer Harztränkbad und einer Harzmengendosiereinrichtung
1.1. in der Pos einer Abquetschwalze oder direkt einer im Zusammenhang mit den Fig
den Fig. 3 und 3a beschriebenen Presseinrichtung
zugeführt werden.
Die Darstellung gemäss Fig. 1 zeigt, wie mehrere auch als Einzel-Vorlaminate benennbare
Bänder 15' zu einem Mehrfach-Vorlaminat 21 zusamengeführt werden können.
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Die bezuglich Fig. 1 beschriebenen Einrichtungen und Arbeitsgänge
betreffen auch links in Fig. 2 gezeigten Vorrichtungsteil, und die Linie I-I quer
zum Band 15' entspricht jeweils der Linie I-I in jedem der drei in Fig. 2 gezeigten
Vorrichtungsabschnitte. Gleiche Referenz-Nummern in Fig. 2 bezeichnen dieselben
Teile wie in Fig. 1, sodass auf eine bezügliche Detailbeschreibung verzichtet werden
kann.
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Es ergibt sich indessen von selbst, dass die gewählte Anzahl von
drei Vorrichtungsabschnitten in Fig. 2 völlig wilkürlich erfolgt ist und deren Zahl
praktisch nur von den gewünschten Eigenschaften des herzustellenden Laminates abhängt.
Die Bänder 15, welche die Wickel-Vorrichtungen 8 verlassen haben, werden durch eine
aus dem bereits genannten Walzenpaar 16 und weiteren Walzenpaaren 23 und 24 bestehende
Anordnung, in welcher das Walzenpaar 16 als frei umlaufende oder gebremste Vorpresswalzen,
die Walzen 23 als nur als Umlenkwalzen und die Walzen 24 als Umlenk- und Führungswalzen
dienen, Rand auf Rand nander liegend aufeinander ausgerichtet, zusam t. Das in den
Vorlaminaten 15' vorhandene Harz bewirkt,
dass die unter der Führungswalze
24 aufeinandergepressten Einzelbänder zu einem Mehrfachvorlaminat 21 zusammengehalten
werden.
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Bin solches Mehrfachvorlaminat kann im Prinzip gleich weiterbehandelt
werden wie das vom Vorrichtungsabschnitt nach Fig. 1 gelieferte Einzel-Vorlaminat
15'.
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Es kann aber auch, wie in Fig. 2 dargestellt, eine weitere Wickeleinrichtung
25 passieren, die gleich wie die Wickeleinrichtungen 8 aufgebaut sein kann, wobei
das Mehrfach-Vorlaminat in gleicher oder ähnlicher Weise wie früher das Einfach-Vorlaminat
umwickelt wird, um zusätzliche querverstreifende Faserlagen zu erhalten.
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Um die gezeigte Darstellung eines en die Wickeleinrichtung 25 anschliessenden
weiteren Harztränkbades 26 zu ermöglichen, ist eine durch Bruchlinien 27 begrenzte
Lücke 28 ausgespart, in welcher das bei zusammengeführte und bei 25 unwickelte Mehrfach-Vorlaminat
29 wie durch die Walzenanordnung 16, 23 um 90° gedreht wird, um lagerichtig in das
Bad 6 und von dort zu den weiteren Behandlungsstationen zu gelangen.
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Das aus dem Harzbad aufsteigende Mehrfachband 29 passiert ein Abqutschwalzenpaar
30, dessen Achsdistanz zwecks Dosierung der em Faserstrangaufbau des Bandes haftenden
Harsmenge verstellbar ist.
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Am Austritt des Vorlaminates 29' aus den Abquetschwalzen
30
können in nicht detailierten, wahlweise vorgesehen Einrichtungen, die stellverttretend
durch ein mit strichpunktierten Linien begrenztes Rechteck 31 dargestellt sind,
Zwischenoperationen wie Profilieren, Vorpolymerisieren, Färben etc. ausgeführt werden,
oder daß vorzugsweise kontinuierlich gefestige Vorlaminat kann, vonn die nachfolgenden
Operationen nicht obenfalls Kontinuierlich ausgeführt werden, in diesem Bereich
mittels geeigneter Vorrichtungen gestepelt werden.
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Es vorsteht sich von selbst, dass solche allgemein mit 31 bezeichnete
Einrichtungen sowohl für Einfach- wie auch Mehrfach-Vorlaminate verwendet werden
können.
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Fig. 3 zeigt einen weiteren Abschnitt der Vorrichtung zur Durchführung
das erfindungsgemässen Verfahrens, wobei mit 41 eine kontinuierlich arbeitende,
beheizte Presse bezeichnet ist.
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Das von den Vorbehandlungsabschnitten bzw.
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den bezüglichen Bearbeitungsstationen der Vorrichtung angelieferte
ein- oder mehrschichtige Vorl@zinnt gelengt in Pfeilrichtung B in die aus Einlaufwalzen
43, 43'.
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Auslaufwalzen 44, 44'. Stützwalzen 45, 45' und je einen auf den bezüglichen
Walzen abgestützen oberen und unteren Stahlband 46, 46' bestehende Presse, die auf
die Polymerisationstemperatur des die Lamit @@@@llung
verwendet
Harzes aufgeheizt ist. In dieser Presse wird im Bereich der Einlaufwalzen 43, 43'
das noch plastisch verformbare Vorlaminat auf eine bestimmte Dicke zusammengepresst
und das Harz beim Durchlauf durch die Presse kontinuierlich ausgehärtet, wobei daß
entstehende Laminat unter dem sich aus der genannten Dickenreduktion ergebenden
Druck gehalten wird. Die für die Einhaltung der gewünschten Dickentolerazen erforderliche
Stabilität der umlaufenden endlosen Stahlbünder 46, 46' wird durch die Stützrollen
45, 45' gesichert, deren Zahl und Achsabstand sich nach der Biegefestigkeit der
verwendeten Stahlbänder richtet. Bei Verwendung eines Harzes in der Laminätherstellung,
daß auf der Stahlbandoberfläche zum Kleben neigt, können Trennbänder vorgesehen
werden, die wie in Fig. 3 mit strichpunktierten Linien gezeigte umlaufende all oder
aus anderen Materialien bestehende Streifen sein können.
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Die Streifen können such, namentlich wenn diese aus ein relativ billigen
Material bestehen, in nicht dargestellter Weise auf der Eingangsseite der Presse
von Vorratswalzen abgezogen werden und auf der Auslaufseite vom Laminat entfernt
und als Abfallmaterial abgeführt werden. Die Streifen können aber auch, namentlich
wenn eine einwandfreie Verklebung mit dem Harz- und Faserstraugaufbau möglich ist,
einen Bestandteil des fertigen
Laminates bilden und beispielsweise
Schutzschichten oder mit Aufdrucken versehene Decksohiohten bilden, die gegebenenfalls
auch der Weiterverarbeitung des Laminates, s.B, als Zwischenschichten ftir die Verleimung
dienen können.
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Das von der kontinuierlichen Presse 41 gelieferte Laminat kann alsdann
wenn nötig einer allgemein mit 49 bezeichten Bearbeitungsstation zugeführt werden,
in der es z.B. auf Breite und Dicke geschliffen, mit Aufdrucken versehen oder Kontrolloperationen
etc. unterworfen wird. Hinsichtlich des Schleifvorganges kann bemerkt werden, dass
infolge der mit der beschriebenen Vorrichtung erzielbaren hohen Dickengleichmässigkeit
bzw. engen Fertigungstoleranzen auf der Oberfläche des Laminates in der Regel nur
die äussersten Partien der äussersten Querfaserstrangreglage an- oder weggeschiffen
wird. Da es leicht ist, den dadurch möglichen Verlust beim Aufbau der Laminaturverstärkung
zu kompensieren, treten durch dieses Wegschleifen keine Wertminderungen des Laminates
auf.
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Am Schluss der eigentlichen Laminatfertigungsstrecke ist eine Abzieh-
oder Vorschubeinrichtung 50 vergesehen, wo das fertige Laminat, wie gezeigt, zwischen
zwei unter einer einer einstellbaren Andruckkraft stehenden Walzen 51 oder einem
(nicht gezeigten) sog. Rampenzug durchläuft. bie Walzen oder Raupenbänder werden
in herkömmlicher
Weise angertrieben. Sie bestimmen im Falle einer
kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung deren Arbeitageschwindigkeit und sind deshalb
zweckmässig mit einem geschwindigkeitsregulierenden Antriebsaggregat verbunden.
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Nach den Auslaufen aus der Abzieh- oder Vorschubeinrichtung wird
das laminat meist auf bestimmte Lägenmasse beschnitten, welcher Vorgang durch eine
schematisch dargestellte Schneideinrichtung 52 ausgeführt werden kann.
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Die in Fig. 3 dargestellte kontinuierliche Presse kann bei einfachen
Ausführungsformen der Vorrichtung oder gewissen Laminatsqualitäten durch eine Zichform
61 gemäss Fig. 3a ersetzt vorgan, deren obere und untere Barken 32, 60 auf die polymerisationstemperature,
des für die laminatherstellung verwendsten Herzes aufgeheizt ist. Die Becken 62,
62' begrenzen einen Schlitz 69, dessen Breite und Höhe in der Regel nicht variierbar
12 Das in Richtung des Pfeiles C ankonmende Vorlaminat 64 wird in bekannter Weise
beim Eintritt in die Zichform 61 auf die gegebene Ereite und Höhe, die prinzipal
den Portigmassen des aus der Zichform austretenden gehärteten Laminaten 65 entspricht,
gebracht.
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Die in den Fig. 3 und 3a gezeigte Prasse 41 bzw.
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Ziehform 61 eignen vorzugsweise für flache Laminate.
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Das erfindungsgemäss Verfahren beschränkt sich indessen nicht auf
die Herstellung solcher Ausführungsformen. Es können aus den bei I-I in Fig. 1 oder
28 bzw. 30/31 in Fig. 2 enfallenden Vorlaminaten auch Profile geformt werden, welche
vorteilhaft in nichtkontaktinuierlichen, beheizten Pressformen geformt und ausgehärtet
werden. Weil die bezüglichen Einrichtungen und die Verfahrensschnitte dem Pachmann
geläufig sind, wird auf eine zeichnerische Darstellung und eine Erläuterung verzichtet.
Ebense ist es einleuchtend, dass die Zugabe von Deckfelien für die früher genannten
manngfaltigen Zwecken auch bei der Verwordung von diskontinuierlich arbeitenden
Presseinrichtungen möglich ist, wobei auch Metallfolien zu Deckzwecken verwendbar
sind.
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Da die Verfahrens und Vorrichtungssabschnitte mindestens bis zur
Herstellung des Faserstrangaufbuss, vorzugsweise aber bis zur Fertigung des zur
Aushärtung bereiten Verlaminates, zwecks Erzielenn einer gleichmässigen Qualität
und einer rationellen sind @@@@@ ise kontinuierlich durchzuführen sind, r@@@@ @@@@@tänden
in Bereich zwischen den continuierlich uber dem diskontinuierlichen Art@@@@@ lauf
eine zusftzliche Abzich- bzw. Vorschubeinrichtung für die kontakti@@@@lich-Arbeitsstrecke,
eine Speichereinrichtung wird kenstig bezüglich der allgemein mit 31 bezeich @@@@@
@@@@@@@@@@
beschrieben, und eventuell eine zweite, dis Längsfasern
wiederum vorspannende Bremsvorrichtung vorgesehen werden, wenn die ursprüngliche
Vorspannung bei der Speicherung verloren gegangen ist.
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Bei der beschriebenen Laminatfertigung gelangen vor allen Polyester-
und Epoxyharze oder andere Duromere zu Anwendung. Die Tränkung des Faserstrangaufbauef
kann dadurch verbessert werden, wenn die Walzen in den Tränkbädern mit einer Frequenz
von 25 - 100 Hz vibriert werden.
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Anstelle des ersten Tränkbades 5 gemäs den Fig. 1 und 2 kann auch
eine sog Schlitzdüse verwendet werden. Bei einer solchen nicht gezeigten, aber dem
Fachmann geläufigen Anordnung, die im Prinzip aus einem liegenden Rohrstück mit
im oberen Krümmungsscheitel angeordnetem Schlitz besteht, werden die bereits im
Webblatt 4 gerichteten Faserstränge über die Schlitzöffnung gettIb?t Und dabei duroh
aus dem Schlitz austretendes, die sei durch da. Rohr zugeführtes Harz getränkt.
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Im Falle der Verwendung von bereits mit einer vorpolymerisierten
Harzmasse getränkten Faserstrangmaterialien, sogenannten Prepregs, können die Harztränkbäder
5 und 26 entfallen.
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Für den Faserstrangaufbau der nach dem erfindungsgemässen Verfahren
herstellbaren Laminate können im Prinzip alle vorspannbaren laatur und synthetischen
Fasern.
sowie Glasfasern in der Form von Rowings sowie Einzel- und zu Kabel verarbeitete
Drähte aus geeigneten Metallen verwendet werden. Auch können für die Längs-und Querfaserstränge
gleiche oder verschiedene Faserarten oder Drähte verwendet werden.