DE2101756A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen und -bändern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen und -bändern

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DE2101756A1 DE19712101756 DE2101756A DE2101756A1 DE 2101756 A1 DE2101756 A1 DE 2101756A1 DE 19712101756 DE19712101756 DE 19712101756 DE 2101756 A DE2101756 A DE 2101756A DE 2101756 A1 DE2101756 A1 DE 2101756A1
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Description

HASCHIIiENFABEIK AUGSBUBG-NÜBNBERG
Aktiengesellschaft
München, den 16. Dezember-197o
Verfahren und Vorrichtung zur Imprägnierung von Kohlenstofffasersträngen und -bändern
Es ist bekannt und als Stand der Technik zu werten, Fasermaterialien aus verschiedenen Werkstoffen in Kunststoffmatrizes oder Metalle einzubetten, um hierdurch das jeweilige Matrixmaterial zu verstärken.
Der Effekt, der hierdurch erzielt wird, ist in hohem Maße von den Eigenschaftswerten des Verstärkungsmaterials abhängig.
Fasermaterialien mit hoher Zugfestigkeit und vergleichsweise hohem Ε-Modul (Zugfestigkeit & ■* bis 46o kp/mm , Ε-Modul E = 7·οοο - ^ Ίο.οοο kp/mm ), auf Basis von verschiedenen Gläsern, werden seit vielen Jahren in Form von Matten, Geweben, Rovings etc. für die Kunststoffverstärkung eingesetzt.
Ein spezielles Verfahren, glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe herzustellen, ist das Faser-Wickel-Verfahren (Filament Winding). Bekanntlich können nach diesem Verfahren
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Rotationskörper hergestellt werden, wobei als Verstärkungsmaterial einzelne Rovings oder auch Rovingbänder größerer Längen verwendet werden. Als Matrixmaterialien werden vielfach UP- und EP-Harze eingesetzt.
Seit einigen Jahren ist man dazu übergegangen, für Verbundwerkstoffe für gesteigerte Anforderungen Verstärkungsfasern herzustellen und zu verarbeiten, welche gegenüber der Glasfaser höhere Festigkeitseigenschaften aufweisen. Zu erwähnen sind hier in erster Linie Borfäden und Kohlenstoffasern. Da diese Patentanmeldung ein spezielles Verarbeitungsverfahren für C-Fasern zum Gegenstand hat, soll hier nur von dieser Faser die Rede sein.
Seit es gelungen ist, C-Fasern mit ausreichender Gleichmäßigkeit in großen Längen ( "^s. 1ooo m) herzustellen, ist diese Verstärkungsfaser für Anwendungsbereiche interessant geworden, bei welchen diese großen Längen unabdingbar notwendig sind, wie beispielsweise beim Wickeln von Behältern etc.. Gegenüber der herkömmlichen Glasfaser weist jedoch die C-Faser in der Verarbeitung erhebliche Kachteile auf. So ist sie beispielsweise auf Grund ihres etwa 5 - 5>-fach höheren Ε-Moduls gegenüber der Glasfaser wesentlich knickempfindlicher. Die Zahl von gebrochenen bzw. beschädigten Pasern in einem Strang von beispielsweise I0.000 Elementarfäden ist wesentlich größer als in einem vergleichbaren Glasfaserstrang.
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Diesen Umständen muß "bei der Verarbeitung von C-Fasersträngen nach dem Faserwickelverfahren in hohem Haße Rechnung getragen werden, wenn ein Wickelkörper hergestellt werden soll, in welchem ein hoher prozentualer Ausnutzungsgrad der C-Faserfestigkeitswerte erreicht werden soll.
Üblicherweise werden die zu verwendenden C-Fasern auf Spulenkörpern in wilder Wicklung, d.h. mit einem Winkel von ungefähr 45 - 7o° zur Spulenlängsachse in Längen von ab ca. 5oo - 600 m aufgewickelt. Wird nun der C-Faserstrang mit einer Abzugskraft von etwa 5ooρ und mehr von der Spule abgezogen, so ist es unvermeidbar , daß der in Kreuzlagen aufgewickelte C-Faserstrang während des Abziehens erheblich beschädigt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Imprägnierung eines Kohlenstoffaserstranges zu schaffen, der sich durch eine hohe Gleichmäßigkeit der Harzverteilung im Faserstrang und weitgehende Reduzierung des Anteils an beschädigten Elementarfäden im Strang gewährleistet.
Gegenstand der Erfindung ist es, daß die Spule schwenkbar aufgenommen wird und zwar mit einem Winkel, der dem Aufspulwinkel des C-Faserstranges entspricht. Da ferner die Spule beim Abwickelvorgang gebremst wird, so daß eine regelbar geringe Abzugskraft, die vorteilhaft zwischen 5o - 25o-p liegt, aufgebaut wird, ist gewährleistet, daß der G-Faserstrang schonend
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von der Spule abgezogen -wird, ohne die darunterliegenden Lagen zu reiben und somit zu beschädigen. Diese Winkeleinstellung wird so lange beibehalten, bis der Strang am einen Ende der Spule angelangt ist. Ist dies der Fall, so wird durch lichtelektrische Steuerung die Spule so weit geschwenkt, daß der nunmehr auf der Spule in der Eichtung der Längsachse zurücklaufende Faden weitgehend reibungsfrei von der Wicklung abläuft. Die Spule wird abermals geschwenkt, wenn der Faden das andere Ende der Spule erreicht hat.
Der trockene C-Faserstrang läuft nun über Hollen zur ersten Imprägniervorrichtung. Dies ist eine thermostatisierbare Wanne von ca. 5oo - 1ooo ecm Inhalt, welche das auf die günstigste Impragniertemperatur gebrachte Imprägnierharz enthält. Senkrecht zur Längsachse enthält diese Wanne eine Metallwalze, welche ca. 2 - 5 cm in das Harzbad eintaucht. Der C-Faserstrang läuft, durch Umlenkrollen von der Abspulvorrichtung her gesteuert, mit einem bestimmten Anpressdruck über die Imprägnierwalze, welche ihrerseits dadurch zum Drehen gebracht wird. Durch diese Drehung transportiert die Walze auf ihrer zylindrischen Mantelfläche Imprägnierharz aus dem Bad.
Hierdurch entsteht ein Harzfilm, durch welchen der C-Faserstrang läuft. Die Dicke des Harzfilmes wird durch Abstreifbleche zwischen Harzspiegel in der Wanne und den über die Imprägnierrollen laufenden C-Faserstrang durch ein verschiebbares Abstreifblech reguliert.
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Die zu wählende Harzfilmdicke ist in erster Linie von der Viskosität des Imprägnierharzes bei der eingestellten Temperatur abhängig.
Durch den Anpressdruck des C-Faserstranges an die Imprägnierwalze wird eine gewisse I'ächerung des C-IFas er stranges erreicht, was eine bessere Durchdringung des C-Faserstranges mit Harz gewährleistet.
Es hat sich herausgestellt, daß auf Grund der schlechten Affinität der O-Faseroberfläche zu den vorteilhaft als Imprägnierharz eingesetzten EP-Harzen eine einmalige Imprägnierung nicht ausreicht.
Der C-laserstrang wird daher über eine zweite Imprägniervorrichtung geführt, die analog der oben beschriebenen ausgebildet ist. Der Strang wird vorteilhaft so gelenkt, daß die bei der ersten Imprägnierwalze obenliegende Strangoberfläche beider zweiten Imprägnierwalze direkt über die Walze geführt wird.
Der imprägnierte Strang wird nun über mehrere Umlenkrollen (vorteilhaft mindestens 3) zum Padenauge der Wickelmaschine geführt. Diese Umlenkrollen können gebremst werden, damit sich eine einstellbare maximale Abzugskraft bzw. !Fadenspannung des imprägnierten G-Faserstranges aufbauen kann.
Es kann beispielsweise erreicht werden, daß durch die Kombination von oben geschilderter Abspulvorrichtung, Imprägnierung und ge-
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bremsten Umlenkrollen bei größtmöglicher Schonung des C-Faserstranges, für einen Strang aus I0.000 Elementarfäden, eine Abzugskraft bzw. "Fadenspannung von ^ 5 kp aufgebaut werden kann. Diese hohe Abzugskraft bzw. Fadenspannung ist unerlässlich notwendig, um einen gleichmäßig aufgebauten Wickelkörper zu erhalten, in welchem eine möglichst homogene Verteilung von Fasern im Harz d.h. eine luftblasenfreie, weitgehend homogene Imprägnierung des Fadens mit Harz und umgekehrt für die Erreichung optimaler Eigenschaftswerte gewährleistet ist.
Die Kombination von schwenkbarer und mit einem Bremsmotor ausgerüsteten Abspulvorrichtung mit einer Doppel-Imprägnierung und den gebremsten Umlenkrollen zum Aufbau vom max. erreichbarer Abzugskraft bzw. Fadenspannung ist Gegenstand der Erfindung, weil nur die Kombination der geschilderten Vorrichtungen zu optimalen Ergebnissen führt und den höchstmöglichen Ausnutzungsgrad der Fasereigenschaften im Wickellaminat gewährleistet.
Durch die Kombination von Abspulvorrichtung und doppelseitiger Imprägnierung mit dosierbarem Harzfilm auf den Imprägnierrollen wird eine Imprägnierung des C-Fas er stranges erreicht, die folgende vorteilhafte Charakteristika aufweist:
hohe Gleichmäßigkeit des Harz/Faser-Verhältnisses praktische Luftblasenfreiheit, hohe Gleichmäßigkeit der Harzverteilung im Strang,
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weitgehende Reduzierung des Anteiles an beschädigten Elementarfäden im Strang.
Derart imprägnierte C-Faserstränge bzw. -bänder eignen sich vorzugsweise zur Herstellung von Wickelkörpern nach dem Faserwickelverfahren (Filament Winding) oder zur Herstellung von vorimprägnierten C-Fasersträngen bzw. C-Faserbänder (Prepregs).
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen oder -bändern wird in der Zeichnung schematisch dargestellt^ es zeigt
Fig. 1 eine Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Imprägniervorrichtung und
Fig. 2 eine Spulenschwenkvorrichtung.
Ein Kohlenstoffaserstrang 1 größerer Länge, der auf einer in einer Spulenschwenkvorrichtung (Fig. 2) gelagerten Lieferspule in mehreren Lagen kreuzweise aufgewickelt ist, wird über ein Eollensystem geführt, das aus Umlenkrollen, Harzimprägnierwalzen und Bremsrollen besteht, und an einem Wickelkern unter Zug aufgewickelt. Die Bewegungsrichtung des Faserstranges sowie die Umdrehungsrichtung der Walzen ist mit Pfeilen angedeutet.
Das Rollensystem ist auf einer senkrecht stehenden Aufnahmeplatte 3 angeordnet, wobei die Achsen aller Rollen parallel
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zueinander stehen und einen rechten Winkel zur Platte einnehmen. Der Strang wird von der Lieferspule 2 über eine erste Umlenkrolle 4 geführt, die unmittelbar vor der ersten Harzimprägnierwalze 5 angeordnet ist, und anschließend mit einer zweiten etwas tiefer gesetzten Umlenkrolle 6 einer zweiten Harzimprägnierwalze 7 zugeführt. Beide Harzimprägnierwalzen 5 und 7 tauchen jeweils in ein Harzbad 8, 8a, das über ein thermostatisiertes Heizbad 9» 9a aufheizbar ist. Die Schichtdicke des durch die Walzen bei einer Umdrehung aus dem Harzbad mitgeschleppten Harzes ist mit Hilfe der unmittelbar vor den Walzen angeordneten Abstreifer 1o und 1oa einstellbar, wobei der Spalt zwischen Imprägnierwalzen und Abstreifer ein Maß für die Schichtdicke und Durchtränkung des Kohlenstofffaserstranges darstellt. Durch die Umlenkrolle 6 ist gewährleistet, daß der vorerst durch die Walze 5 einseitig getränkte Kohlenstoffaserstrang nach Berührung der zweiten Imprägnierwalze 7 auch auf der anderen Laufbahn getränkt wird. Durch den Druck des Kohlenstoffaserstranges auf den Walzen ist hierbei deren Umdrehung gewährleistet. Nach Tränkung des Stranges auf der zweiten Harzimprägnierwalze 7 gelangt der Strang über ein in Reihe geschaltetes, aus fünf Bremsrollen 11 bestehendes Umlenksystem, durch das der Strang etwa sinuslinienförmig durchgeführt wird. Die Bremskraft der Bremsrollen ist einstellbar, so daß der Kohlenstoffaserstrang am Wickelkern 12 mit einem Gegenzug von etwa 5 kp aufgewickelt werden kann.
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Anhand der Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel der Spulenschwenkvorrichtung beschrieben. Auf einer Querstrebe 13a des Rahmens 13 ist die kreuzgewickelte Lieferspule 2 in der Ebene des Faserstrangablaufs um die Schwenkachse 14 schwenkbar auf der Platte 15 gelagert. Die Lieferspule 2 steht über einem Riementrieb mit einem ebenfalls auf der Platte 15 angeordneten Regelmotor 16 in Verbindung, dessen Drehmoment einstellbar ist. Die Platte 15 steht über einen Hebel 17 mit einer Exzenter scheibe 18 in Verbindung, die durch einen Antriebsmotor 19 in Umdrehung versetzt wird, wobei die Exzenterscheibe um einen Winkel von 18o° gedreht wird, wenn eine Schwenkung der Lieferspule nach Abwicklung einer Lage des kreuzgewickelten Kohlenstoffaserstranges 1 notwendig ist, und zwar um denjenigen Winkel, den der Faserstrang jeweils mit der Radialen der Lieferspule einschließt. Die Schwenkung der Lieferspule 2 wird lichtelektrisch mittels mit einem Lichtkontakt versehenen Wendeschalter 2o, 2oa gesteuert.
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Claims (7)

MASCHINENi1ABEIK AUGSBUfiG-NÜfiNBEKG 21017 56 Aktiengesellschaft München, den 16. Dezember 197o Patentansprüche
1. Verfahren zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen und -"bändern größerer Längen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffaserstrang über eine schwenkbare Abspulvorrichtung bei geringem Zug abgewickelt, anschließend mittels Imprägnierwalzen mit Harz einstellbarer Schichtdicke getränkt wird, wobei der Strang mittels Walzen so geführt wird, daß eine beidseitige Imprägnierung erzielbar ist, und daß der Kohlenstoffaserstrang nach Durchlaufen eines aus Bremsrollen bestehenden Umlenksystems mit erhöhtem Zug aufgewickelt wird.
2. Vorrichtung für das Imprägnieren von Sohlenstoffasersträngen bzw. -bändern größerer Längen, dadurch gekennzeichnet, daß eine schwenkbare Abspulvorrichtung mit einer Harz imprägniervorrichtung kombiniert ist, welche aus Umlenkrollen, aus in Harzimprägnierbädern (8, 8a) eintauchenden Imprägnierwalzen (5i 7) und einem Umlenksystem aus BremsroHen (11) besteht, denen sich eine Aufwickelspule (12) anschließt.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schwenkung der Abspulvorrichtung eine Ex ζ ent er scheibe (18) vorgesehen ist, die jeweils nach Abspulen einer Lage des auf einer kreuzgewickelten Lieferspule (2) gewickelten Kohlenstoffaserstranges (1) beispielsweise infolge lichtelektrischer Steuerung (2o, 2oa) jeweils um 18o° verdrehbar ist.
M-. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lieferspule (2) der Abspulvorrichtung um denjenigen Winkel schwenkbar ist, der dem Aufspulwinkel· des trockenen Kohlenstoffaserstranges (1) entspricht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Harzimprägnierwalzen (5i 7) mit parallelen Achsen in einer Ebene etwa auf einer vertikalen Linie so angeordnet sind, daß eine beidseitige Imprägnierung des Kohlenstofffaser stranges durchführbar ist.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 5» dadurch gekennzeichnet daß zwischen den beiden Harzimprägnierwalzen eine zusätzliche Umlenkrolle (6) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5* dadurch gekennzeichnet daß die Harzimprägnierwalzen (5, 7) jeweils in eine thermostatiertes Harzimprägnierbad (8, 8a) eintauchen, bei dem die jeweils günstigste Imprägniertemperatur einstellbar ist.
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B. Vorrichtung nach, den Ansprüchen 2, 5 "und. 7> dadurch, gekennzeichnet, daß jede der Harzimprägnierwalzen (5j 7) mit einem verschieblichen Abstreifer (1o, 1oa) zur Einstellung der Dicke der von den Walzen bei einer Umdrehung am Mantel mitgenommenen Harzschicht versehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenksystem mindestens drei Bremsrollen (11) enthält, deren Bremskraft einstellbar sein kann.
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