DE2101756B2 - Verfahren zur Imprägnierung von Kohlenstoffasern sowie Vorrichtung hierzu - Google Patents

Verfahren zur Imprägnierung von Kohlenstoffasern sowie Vorrichtung hierzu

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Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen oder -bändern größerer Längen, die mittels Imprägnierwalzen mit Harz einstellbarer Schichtdicke getränkt werden, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Faserroaterialien mit hoher Zugfestigkeit und hohem Ε-Modul (Zugfestigkeit ob bis 460 kp/mm2. E-Modul E ab 7000 bis mehr als 10 000 kp/mm2), auf der Basis von verschiedenen Gläsern, werden seit vielen jähren in Form von Matten, Geweben. Rovings usw. für die Kunststoffverstärkung eingesetzt. SS
Seil inigen Jahren ist man dazu übergegangen, für Verbundwerkstoffe für gesteigerte Anforderungen Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff herzustellen und zu verarbeiten, welche gegenüber der Glasfaser höhere Festigkeitseigenschaften aufweisen.
Seit es gelungen ist, Kohlenstoffasern mit ausreichender Gleichmäßigkeit in großen Längen (> 1000 m) herzustellen, ist diese Verstärkungsfaser für Anwendungsbereiche interessant geworden, bei welchen diese großen Längen unbedingt notwendig sind, wie bei- 6S spielsweise beim Wickeln von Behältern usw. Gegenüber der herkömmlichen Glasfaser weist jedoch die Kohlenstoffaser in der Verarbeitung erhebliche Nachteile auf. So ist sie beispielsweise auf Grund ihres 3 bis Sch höheren Ε-Moduls gegenüber der Glasfaser wesentlich knickempfindficher. Die Zahl von gebrochenen bzw beschädigten Fasern in einem Strang von bei- __ieisweise 10000 Elememarfäden jst wesentlich größer als in einem vergleichbaren Glasfaserstrang. Diesen Umständen muß bei der Verarbeitung von Kohlenstoffasersträngen nach dem Faserwickelverfahren (filament Winding) in hohem Maße Rechnung getragen werden wenn ein Wickelkörper hergestellt werden soll, in welchem ein hoher prozentualer Ausnutzungsgrad der Kohlenstoffaserfestigkeitswerte erreicht wer-
den soll- . , „
Üblicherweis? werden die zu verwendenden Kohlenstoffasern auf Spulenkörpern in wilder Wicklung, d. h. mh einem Winkel von ungefähr 45 bis 70° zur Spulenlängsachse in Längen ab etwa 500 bis 600 m aufgewikkelt Wird nun der Kohlenstoffaserstrang mit einer Abzugskraft von etwa 500 ρ und mehr von der Spule abgezogen, so ist es unvermeidbar, daß der in Kreuzlagen aufgewickelte Kohlenstoffaserstrang während des Abziehens erheblich beschädigt werden kann.
Es is' bereits eine Imprägniervorrichtung für Glasfasern bekannt (DT-OS 10 16 262). die eine frei drehbare, mit ihrer Unterseite in ein Harzbad eintauchende Tränkwalze aufweist der eine Spannrolle nachgeschaltet wird Diese Spannrolle bewirkt allerdings, daß der noch wenig widerstandsfähige Faserstrang bereits be trSchtlicher Last ausgesetzt wird; weiterhin wird an dieser Stelle durch die Vorspannung ein dichtes Anein anderrücken der einzelnen Fasern des Faserstranges bewirkt wodurch wenig Harz zwischen die Fasern eindringen kann, so daß die Imprägnierung unvollkommen wird. Für Kohlenstoffasern ist eine derartige Vorrichtung nicht brauchbar, da sie wegen der obenerwähnten Eigenschaften der Kohlenstoffasern unvermeidlich zu Fadenrissen führen würde.
Schließlich ist aus dem Aufsatz »Probleme beim Tränken und Ziehen«, Kunststoffe 1967. S. 447 bis 451 bekannt. Faserstränge mit Harz beidseitig zu beschich
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Imprägnierung eines Kohlenstoffaserstranges zu schaffen, der eine hohe Gleichmäßigkeit der Harzverteilung im Faserstrang und ein·; weitgehende Reduzierung des Anteils an beschädigten Elementarfäden im Strang gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kohlenstoffaserstrang über eine schwenkbare Abspulvorrichtung bei geringem Zug abgewickelt und anschließend mittels Walzen beidseitig imprägniert wird, nach der Imprägnierung zur Erzeugung der erwünschten Aufwickelvorspannung ein aus mehreren Bremsrollen bestehendes Umlenksystem durchläuft und dann mit der erzeugten Vorspannung aufgewickelt wird. Die erfindungsgemäße Aufgabe findet weiterhin ihre Lösung darin, daß eine schwenkbare Abspulvorrichtung mit einer Harzimprägniervorrichtung kombiniert ist die aus Umlenkrollen, aus in Harzimprägnierbäder eintauchende Harzimprägnierwalzen und einem Umlenksystem aus Bremsrollen besteht denen sich eine Aufwickelspule anschließt.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung kann im Rahmen der gegebenen technischen Möglichkeiten natürlich noch den Erfordernissen entsprechend weiter ausgestaltet werden: eine solche weitere Ausbildung kann darin liegen, daß die
21 Ol 756
Lieferspule der Abspulvorrichtung um denjenigen Winkel schwenkbar ist. der dem Aufspulwinkel des trockenen Kohlenstoffaserstranges entspricht.
Ebenso können zwei Harzimprägnierwalzen mit parallelen Achsen in einer Ebene etwa auf einer vertikalen Linie so angeordnet sein, daß eine beidseitige Imprägnierung des Kohlenstoffaserstrangvö durchführbar ist
Jede der Harzimprägnierwalzen kann im übrigen mit einem verschieblichen Abstreifer zur Hinstellung der Dicke der von den Walzen bei einer Umdrehung am Mantel mitgenommenen Harzschicht versehen sein.
Die zu wählende Harzschichtdicke ist in erster Linie von der Viskosität des Imprägnierharzes bei der eingestellten Temperatur abhängig.
Durch den Anpreßdruck des Kohlenstoffaserstranges an die Harzimprägnierwalze wird eine gewisse Fächerung des Kohlenstoffaserstranges erreicht, was eine bessere Durchdringung des Stranges mit Harz gewährleistet.
Durch die Kombination von Abspulvorrichtung, Imprägnierung und gebremsten Umlenkrollen bei größtmöglicher Schonung des Kohlenstoffaserstranges kann für einen Strang aus 10 000 Elementarfäden, eine Abzugskraft bzw. Fadenspannung von > 5 kp aufgebaut werden. Diese hohe Abzugskraft bzw. Fadenspannung ist notwendig, um einen gleichmäßig aufgebauten Wikkelkörper zu erhalten, in welchem eine möglichst homogene Verteilung von Fasern im Harz, d. h. eine luftblasenfreie, weitgehend homogene Imprägnierung der Fasern mit Harz für die Erreichung optimaler Eigenschaftswerte gewährleistet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen oder -bändern wird in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 eine Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Imprägniervorrichtung und
F i g. 2 eine Spulenschwenkvorrichtung.
Ein Kohlenstoffaserstrang I größerer Länge, der auf einer in einer Spulenschwenkvorrichtung (F i g. 2) gelagerten Lieferspule 2 in mehreren Lagen kreuzweise aufgewickelt ist, wird über ein Rollensystem geführt, das aus Umlenkrollen 4. 6. Harzimprägnierwalzen 5. 7 und Bremsrollen Il besteht, und an einer Aufwickelspule 12 unter Zug aufgewickelt. Die Bewegungsrichtung des Kohlenstoffaserstranges 1 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 zueinander stehen und einen rechten Winkel tut Platte einnehmen. Der Kohlenstoffaserstrang 1 wird von der Lieferspule 2 mit einer regelbaren Abzugskraft vcn 50 bis 350 ρ abgezogen und über eine erste Umlenkrolle 4 geführt, die unmittelbar vor der ersten Harzimprägnierwalze 5 angeordnet >st, und S anschließend mit einer zweiten etwas tiefer gesetzten Umienkrolle 6 einer zweiten Harzimprägnierwalze 7 zugeführt Beide Harzimprägnierwalzen 5 und 7 tauchen jeweils in ein Harzimprägnierbad 8. 8a. das über ein temperaturgeregelies Heizbad 9, 9a aufheizbar ist
ίο Die Schichtdicke des durch die Harzimprägnierwalzen 5,7. bei einer Umdrehung aus dem Harzimprägnierbad 8.8a mitgeschleppten Harzes ist mit Hilfe der unmittelbar vor den Harzimprägnierwalzen 5. 7 angeordneten Abstreifer 10,10a einstellbar, wobei der Spalt zwischen
is Harzimprägnierwalzen 5, 7 und Abstreifer 10. 10a ein Maß für die Schichtdicke und Durchtränkung des Kohlenstoffaserstranges 1 darstellt Durch die Umlenkrolle 6 ist gewährleistet daß der vorerst durch die Harzimprägnierwalze 5 einseitig getränkte Kohlenstoffaserstrang 1 nach Berührung der zweiten Harzimprägnierwalze 7 auch auf der anderen Laufbahn getränkt wird Durch den Druck des Kohlenstoffaserstranges 1 auf den Walzen ist hierbei deren Umdrehung gewährleistet. Nach Tränkung des Kohlenstoffaserstranges 1 auf der zweiten Harzimprägnierwalze 7 gelangt der Kohlenstoffaserstrang 1 über ein in Reihe geschaltetes, aus fünf Bremsrollen U bestehendes Umlenksysiem, durch das der Kohlenstoffaserstrang 1 etwa sinuslinienförmig durchgeführt wird. Die Bremskraft der Bremsrollen U ist einstellbar, so daß der Kohlenstoffaserstrang 1 an der Aufwickelspule 12 mit einem Gegenzug von etwa 5 kp aufgewickelt werden kann.
An Hand 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 Kohlenstoffaserstrangablaufs 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 Exzenterscheibe 18 in Verbindung, die durch einen Antriebsmotor 19 in Umdrehung versetzt wird, wobei die Exzenterscheibe 18 um einen Winkel von 180° gedreht wird, wenn eine Schwenkung der Lieferspule 2 nach Abwicklung einer Lage des kreuzgewickelten Kohlenstoffaserstranges 1 notwendig ist und zwar um denjenigen Winkel, den der Kohlenstoffaserstrang 1 jeweils mit der Radialen der Lieferspule 2 einschließt. Die Schwenkung der Lieferspule 2 wird lichtelektrisch gesteuert.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

21 Ol Patentansprüche:
1. Verfahren zur kontinuierlichen Imprägnierung γόη Koblenstoffasersträngen oder -bander« größerer Längen, die mittels Imprägnierwalzen mit Harz einstellbarer Schichtdicke getränkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffasersirang über eine schwenkbare Abspulvorrichturig bei geringem Zug abgewickelt und anschließend mittels Walzen beidseitig imprägniert wird, nach der imprägnierung zur Erzeugung der erwünschten Aufwickelvorspannung ein aus mehreren Bremsrollen bestehendes Umlenksystem durchläuft und dann mit der erzeugten Vorspannung aufgewickelt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine schwenkbare Abspulvorrichtung mit einer Harzimprägniervorrichtung kombiniert ist die aus Umlenkrollen (4.6), aus in Harzimprägnierbäder (8, 8a) eintauchende Harzimprägnierwalzen (S, 7) und einem Umlenksystem aus Bremsrollen (II) besteht, denen sich eine Aufwickelspule (12) anschließt
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schwenkung der Abspulvorrichtung eine Exzenterscheibe (18) vorgesehen ist, die jeweils nach Abspulen einer Lage des auf einer kreuzgewickelten Lieferspule (2) gewickelten Kohlenstoffaserstranges (1) infolge berührungsloser Steuerung (20,20a) jeweils um 180° verdrehbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzimprägnierwalzen (5. 7) jeweils in ein temperaturgeregeltes Harzimprägnierbad (8.8a) eintauchen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Umlenksj stern aus mindestens einer Bremsrolle (11) besteht, deren Bremskraft einstellbar ist.
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