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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Stoffen,
Gegenständen oder Oberflächenschichten ***** Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und Vorri¢htungen für die Herstellung von faserverstärkten Stoffen, beispielswiese
Kunststoffen, die oit Glasfasern verstärkt werden.
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Iu allgemeinen werden faserverstärkte1 dünnwandige Gegenstän de dadurch
hergestellt, daß die Verstärkungsfasern oder -fäden zu eine Tuch verwebt oder regellos
orientiere kurze Fasern zu flachen stoffähnlichen Platten, sogenannten Faservliesmatten,
gepreßt worden, dann das gewebte Tuch oder die Faservliesuatte auf eine vorbereitete
Form aufgelegt und ornuell Dit flüssigem Kunstharz bis zur gewünschten Dicke getränkt
wird, worauf das Kunstharz aushärtet. Alternativ kann das Gewebe oder die Matte
mit den Kunstharz getränkt und auf die Form aufgedrückt oder zur Erzeugung flacher
Bahnen zwischen Rollen hindurchgeführt werden.
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Bei einer anderen Verfahren wird die Faser zunächst zu eine kontinuierlichen1
unverzwirnten Faden, einen sogenannten Vorgarn, verarbeitet. Das flüssige Kunstharz
wird kontinuiorlich auf eine Form aufgesprüht und das Vorgarn wird zu StUkken geeigneter
Länge geschnitten, die einzeln durch einen Luftstrahl auf die Form aufgeblesen werden.
Eine manuelle
Yerfestigung, beispielsweise mittels eines Rollers,
kann sich als notwendig verweisen, bevor das Kunstharz ausgehärtet wird. In einem
weiteren Verfahren wird eine Form in Drehung versetzt und sie wickelt hierbei auf
sich einen kontinuierlichen Faden oder ein Band aus Verstärkungsfasern auf 1 die
in irgendeinem Stadium des Verfahrens mit den Matrixiaterial getränkt werden.
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Die bekannten Verfahren leiden an verschiedenen Nachteilen.
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Sie sind im allgemeinen arbeits- und zeitaufwendig und wenn sie nicht
von einem Fachmann ausgeführt werden, können Hohlräume und Luftblasen in dem fertigen
Produkt entstehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
sowie Vorrichtungen zur Erzeugung von faserverstärkten Stoffen, Gegenständen und
dergleichen zu schaffen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Verstärkung in Form eines kontinuierlichen Fadens oder Faserstrages zugeführt wird,
der oit der Natrixflüssigkeit beschichtet oder getränkt und gleichzeitig auf die
Formwand oder auf die Unterlage zu vorgeschoben wird, derart, daß die Auftreffstelle
relativ zur Formwand bzw. Unterlage über diese bewegt und dadurch die Verstärkung
über die Formwand bzw. Unterlage verteilt und gleichzeitig die Xatrixflüssigkeit
aufgebracht wird.
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Vorzugsweise wird der kontinuierliche Verstärkungsfaden oder -faserstrang
durch den Druck der der Verstärkung zugeführten Natrixflüssigkeit auf die Foruwand
bzw. Unterlage zu vorangetrieben.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur H*ratellung von faserverstärkten
Stoffen, Gegenständen oder Oberflächenschichten, die gekennzeichnet ist durch Mittel
zum Schleudern
eines kontinuierlichen Verstärkungsfadens oder-faserstranges
auf eine Oberfläche und Mittel zum gleichzeitigen Tränken oder Beschichten dieser
Verstärkung mit einer Matrixflüssigkeit vor ihrem Auftreffen auf die Oberfläche.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen einige Ausführungsbeispiele
der erfindungsgefäßen Vorrichtung dargestellt sind. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Faservorschub- und Beschichtungsvorrichtung, Fig. 2
einen Längaschnitt durch eine zweite Ausführung einer Fasersorschubsorricbtung,
Fig. 3 einen Teil-Längeschnitt durch eine Abwandlung der Tränk- und Ausstoßdüse
in vergrößertem Maßstab, Fig. 4 eine schematische Seitenansicht, teilweise geschnitten,
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der dem Faden eine Drehbewegung
erteilt wird, Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einr weiteren Ausfuhrungsforu,
und Fig 6 eine Vorderansicht der Vorrichtung von Fig. 3.
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Di. in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist ein zylindrisches Gehäuse
1 auf, das am vorderen Ende einen inneren radialen Flansch la enthält, an welchem
sich eine zylindrische Endkappe 2 einer Wse abstützt, die einen Dttsenatock 3 und
ein Halteelement 4 aufweist.
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Die zylindrische Wand der Endkappe 2 ist von Einlaßkanälen 3 durchdrungen,
die sich von einer Keder 6 schräg nach vorne zu in das Innere der Kappe erstrecken.
Die Kammer 6 ist von einer Ausdrehung in der Bohrung des Gehäuses 1 gebildet.
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Die Matrixflüssigkeit wird der Kammer 6 über einen Zuflußkanal 7 im
Gehäuse 1 unter Druck zugeführt.
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Die Endkappe 2 ist an ihrem hinteren Ende innen so geformt, daß sie
einen Sitz für den konischen vorderen Abschnitt 8 des Süsenstocks 3 bildet. Der
Düsenstock 3 weist eine Längsbohrung auf 1 die in einer öffnung 9 mündet, welche
nahe einer axial nach innen sich verjüngenden Öffnung 10 im vorderen Ende der Kappe
2 angec-rdnet ist, wodurch ein schmaler ringförmiger Auslaß 11 zwischen den Öffnungen
9 und 10 gebildet wird. Der hintere Abschnitt des Düsenstocks 3 hat eine zylindrische
Form und ist mit engem Schiebeschlitz in der Bohrung des Gehäuses 1 eingesetzt.
Der Düsenstock 3 wird mit Hilfe dos Halteelements 4 in engen Kontakt mit der Endkappe
2 gebracht, indem daa Halteelement 4 in das Gehäuse 1 eingeschraubt wird. Dichtungaringe
12 und 13 sind in der Innenfläcls des Gehäuses 1 angebracht, die mit der Kappe 2
bzw. dem Düsenstock 3 dichtend zusammenwirken.
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I3ei der Benutzung wird in Faden 13 aus Verstärkungsfasern durch die
Öffnung 14 am hinteren Ende der Düse zugeführt und die Matrixflüssigkeit wird unter
Druck in die Kammer 6 gefördert und flisßt duch die Kan@le 5 zum ringförmigen Auslaß
11 zwischen der Düsenmündung 9 und der Öffnung 10 in der Endkappe 2. Der ringförmigem
die durch den ringförmigen Auslaß 11 ausströmt, konvergiert nach innen zu und trifft
auf den aus der Mündung 9 austretenden Faden 15 auf, und zwar in sind solchen Richtung,
daß der Faden hierdurch in Richtung des Pfeiles durch die Vorrichtung hindurch geschoben
wird. Der flüssigkeitsbeschichtete Faden wird auf eine Formwand oder eine andere
Obefläche nahc einem Schema aufgeschleudert, das durch die Bewegung der Vorrichtung
durch den Benutstr bestimmt ist. Es sei darauf hingewiesen, deß der Faden 13, nachdem
er mit der Flüssigkeit beschichtet
und durch die Mündung 9, den
Ringraum 11 und die Öffnung 10 ausgetreten ist, mit keinem anderen Teil der Vorrichtung
mehr in Berührung kommt, bis er auf die Oberfläche der Form auftrifft.
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Anstelle des ringförmigen Auslasses 11 kann auch ein Auslaß in Form
eines nicht-kreisförmigen Schlitzes vorgesehen söin, der nicht unbedingt in sich
geschlossen sein muß. Die Breite des Schlitzes kann an verschiodengn Punkten des
Umfanges verschieden sein, oder es können mehrere Auslässe Jeder geigneton Form
vorgesehen werden. Beispielsweise kann es sich als zweckmäßig erweisen, den Auslaß
in einem beträchtlichen Abstand von der Auftreffstelle der Flüssigkeit.auf den Faden
anzuordnen. Die Düsenmündung 9 braucht nicht kreisförmig sein, sondern kann Jede
Form haben1 die wünschenswert ist, wenn der Faden beispielsweise die Form eines
Bandes hat, oder es können auch mehrere Mündungen zur Führung von mehreren Fäden
vorgesehen werden.
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Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Längsschitt durch das vordere
Ende einer abgewandelten Ausstoßdüse. In diesem Fall wird der Faden oder Faserstrang
20 durch einen Kanal 21 in einem inneren Düsen teil 22 hindurchgeführt und dio Matrixflüssigkeit
wird unter Druck dem Ringraum 23 zugeführt, der das Düsenteil 22 umgibt und von
der Endkappe 24 begrenzt wird.
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Die Kante 25 der Öffnung in der Endkapp- 24 bildet einen Ringspalt
mit der Breite X, während der schmälste Teil des Ringraumes 23 an seinem vorderen
Ende eine Breite Y hat. Um die beste Ejektorwirkung der Flüssigkeit zu erreichen,
sodaß der Flüssigkeitsdruck in Geschwindigkeit umgesetzt wird, bevor die Flüssigkeit
auf den Faden 20 auftrifft, und eine gute Beschichtung und ein Vortrieb des Fadens
20 bewirkt wird, ist es zweckmäßig, daß die Breite X wesentlich größer ist als die
Breite Y. In diesem Beispiel liegt die Kante 25 vor der Kante 261 welche die Mündung
des Kanals 21 bildet, Jedoch kflnnen
diese beiden Kanten auch in
der gleichen Ebene liegen oder die Kante 25 kann hinter, also rechts der Kante 26
angeordnet sein. Im Falle eines konventionellen Glasfaserstranges mit einem Durchmesser
von etwa 0,5 bis 1,25 mm ist der Durchmesser des Kanals 21 vorzugsweise etwa 0,76
bis 2,1 mm, der Kanaldurchuesser ist also vorzugsweise 1 1/4 bis 3mal so groß, wie
der Faden- oder Faserstrangdurchmesser, Ein typisches Faserbündel hat einen Durchmesser
von etwa 1,25 mm Wenn Matrixflüssigkeit aus dem Ringraum 23 austritt und kein Faden
anwesend ist, oder wenn der Faden sich mit unsureichender Vorschubgeschwindigkeit
bewegt, könnte ein Teil der Flüssigkeit in der umgekehrten Richtung in den Fadenführungskanal
21 hinter die Düsenöffnung 26 strömen und sich dort verfestigen. Um dies zu verhindern,
wird dem Fadenführungskanal 21 durch eine Leitung 27 Druckluft zugeführt, die auch
Jede Blockierung beseitigt, wenn die Vorrichtung angehalten oder in Betrieb gesetzt
wird. Die Druckluftzufuhr wird im allgemeinen unterbrochen, wenn die Vorrichtung
normal läuft, und in manchen Fällen kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Leitung
27 an eine Saugquelle anzuschließen, um insbesondere Luft aus dem Faserstrang zu
entfernen, bevor er in den FlUssigkeitsstrahl eintritt5 und damit die Bildung von
Hohlräumen oder kleinen Luftblasen in dem getränkten Faserstrang zu vermeiden0 für
Wenn/die Matrixflüssigkeit ein chemischer Härter, beispielsweise ein Katalysator
oder ein beschleuniger erforderlich ist, so kann dieser durch eine eigene ringförmige
Öffnung auf den Faden aufgebracht werden, wobei diese Öffnung den Ringraum 23 umgeben
oder stromaufwärts desselben angeordnet werden kann. Alternativ kann der Faden vor
dem Eintritt in die DUse mit einem Härter getränkt werden oder der Härter mit der
Natrirflüssigkeit gemischt oder für sich der Form zugeführt werden.
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Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung, bei der der Faden schnell bewegt wird,
während er sich vorwärts auf die Wand der Form P zu bewegt. Die Natrixflüssigkeit
tritt in ein Gehäuse A durch einen Anschluß B in, strömt durch ein Filter C und
Löcher D in einen Rotor E, dann durch einen Ringkanal F im Rotor E und durch den
Kanal G in einen Kopf H, der der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung entspricht. Der
Faden N verläuft durch eine zentral Bohrung J im Rotor E und von dort durch eine
radiale Öffnung K in einen Fadeneinlaß L des Kopfes H. Die Kanten der Öffnungen
K und L sind abgerundet, geglättet und gehärtet, um den Reibwiderstand für den Faden
so klein wie möglich zu halten. Dichtungen M verhindern eine Leckage der Matrixflüssigkeit.
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Im Betrieb wird der Rotor E durch einen nicht gezeigten Motor in Umlauf
versetzt, während der Faden N gleichzeitig durch den Kopf H gezogen und von der
Matrixflüssigkeit getränkt und auf die Wand der Form P geschleudert wird, auf welche
er sich in einem im wesentlichom kreisförmigen Mu ster legt. Die Form P oder der
Kopf H wird so bewegt, daß die erforderliche Bedeckung der Formwand ereicht wird.
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Durch Veränderung der Drehzahl des Rotors relativ zur Geschwindigkeit
des Fadens kann der Durchmesser der Kreise des Musters verändert werden.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
bei der dem kunstharzbeschichteten Faden wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
eine Drehbewegung erteilt wird. In Fig. 4 kann der Tränk- und Antribskmpf 30 fUr
den Faden ähnlich demjenigen von Fig. 1 oder der Abwandlung gemäß Fig. 3 ausgeführt
sein. Der Kopf 30 ist an einer umlaufenden Welle 31 derart angebracht, daß rote
Längsuittelachse 32 schräg zur Drehachse der Welle 31 verläuft. Die Welle 31 hat
einen zentralen Kanal 33, durch welchen der Faden
oder der Faserstrang
dem Kopf zugeführt wird, sowie einen seitlichen Kanal 34, durch welchen das flüssige
Kunstharz zugeführt wird. Die Welle 31 erstreckt sich durch einen Behälter 35, dem
das flüssige Kunstharz unter Druck durch einen Anschluß 36 zugeführt wird. Das Kunstharz
kann in den Xanal 34 durch eine seitliche Öffnung 37 eintreten. Die il 1 ist gegenüber
den Stirnwänden des BehWlters 3 lurch Dichtungen 38 abgedichtet. Das von dem Kopf
30 abgewandte Ye der Welle 31 ist nahe der Mündung 40 eines Kanals 41 angeordnot,
durch den die Glasfasern der Vorrichtung zugeführt werden. Diese Mündung 40 ist
von einer ringförmigen ruckluft-Ausströmdüse 42 umgeben, der Druckluft durch einen
Anschluß 43 zugeführt wird. Es ist ersichtlich, daß die Strömungsrichtung der aus
der Düse 42 austretenden Druckluft schräg nach vorn auf die Drehachse der Welle
31 zu gesicht ist, sodaß der Luftstrahl die Vorschubbewegung des Fadens oder Faserstranges
durch die Welle 31 hindurch unterstützt. Diese Maßnahme unterstUtzt auch den Durchzug
der Fäden durch die Vorrichtung, wenn diese in Betrieb gesetzt wird. Ein Katalysator
oder Beschleuniger kann durch einen seitlichen Kanal 44 zugeführt werden, um die
Fäden oder Fasern zu imprägnieren, bevor sie in den Zentralkanal 33 eintreten. Die
Welle 31 wird von einem Motor 45 angetrieben, der auf dem Behälter 35 angeordnet
ist und über einen Riemen 47 eine auf der Welle 31 befestigte Riemenscheibe 46 antreibt.
Das Gewicht des Kopfes 30 wird durch ein Gegengewicht 48 ausgeglichen. Die gesamte
Vorrichtung kann als tragbares Handwerksoug ausgebildet sein und mit den verschiedenen
Zuführsystemen für das flüssige Kunstharz, die Druckluft und chemische Katalysatoren
und mit der Fadenabwickelspule mittels biegsamer Leitungen verbunden werden.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
dem Faden-anstelle einer Drehbewegung eine oszillierende Bewegung erteilt wird.
In Fig. 5 ist der eigentliche Faden-Tränk- und Antriebskopf 50 wieder von der gleichen
Art wie in Fig. 1 dargestellt und an einem Arm 51 befestigt, der einen Zentralkanal
52 für den Faden und einen diesen umgebenden Ringkanal 53 für das flüssige Kunstharz
enthält. Der Arm 51 ist an seinem anderen Ende mittels eines biegsamen Rohres 54
an einem Zapfen 55 be, festigt, der von einem Lagerbock 66 vorsteht. Der Bock 66
enthält einen horizontalen Kanal 57, der mit dem Fadenführungakanal 52 über das
flexible Rohr 54 in Verbindung steht.
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Eine Feder 56 kann in dem Rohr 54 angeordnet sein, um die Führung
des Fadens zu unterstützen. Der Faden oder Faserstrang tritt in den Kanal 57 durch
einen Eingang 58 ein.
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Eine Luftaustrittadüse 59 ähnlich der Düse 42 in Fig. 4 ist vorgesehen1
um Druckluft in den Fadenführungskanal einzublasen. Die Zuführung der Druckluft
erfolgt durch den Anschluß 60. Ein flüssiger chemischer Härter oder Katalysator
kann durch einen weiteren Anschluß 61 zugeführt worden, und der Anschluß 62 für
die Zuführung des flüssigen Kunstharzes ist mit dem Ringkanal 53 im Arm 51 durch
einen Druckschlauch 61 verbunden.
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Dem Kopf 50 wird eine oszillierende Bewegung durch einen doppelten
Kurbeltrieb erteilt, der insbesondere in Fig. 6 dargestellt ist. Beide Schubstangen
67,68 sind Jeweils an ihren oberen Enden mittels Kugelgelenken 69 an einem Fortsatz
70 des Armes 31 befestigt. Das untere Ende Jeder Schubstange ist mittels eines Kugelgelenkes
71 an einer ulaufenden Kurbel 72 bzw. 73 befestigt1 die an einer horizontalen Welle
74 bzw. 75 angebracht ist. Die beiden Wellen 741 75 werden über ein Getriebe 76
von einem Motor 77 angetrieben, wobei das Getriebe so ausgebildet ist, daß es Jedes
gewünscht.
Drehzahlverhältnis zwischen den beiden Wellen 74 und 75 erzeugen kann. Auf diese
Weise kann eine Vielzahl von verschiedenen Bewegungen erzeugt werden. Wenn beispielsweise
die beiden Wellen 74 und 75 synchron mit der gleichen Drehzahl laufen, bewegt sich
der Kopf 50 auf einem kroisförniigen Weg. Durch V6ränderung der Phasenlage und/oder
der Relativgeschwindigke' t zwischen den beiden Kurbeln 72 und 73 kann der Verlaimf
de es, den der Kopf beschreibt, von einer kreisförmigen zu siner elliptischen oder
einer linearen hin- und hergehenden Bewegung verändert werden. Durch Veränderung
der Drehzahl der einen Welle relativ zur anderen kann eine Vielzahl von komplizierten
Bewegungen erzeugt werden1 die nützlich sind, um eine regellose Bewegung des getränkten
und auf die Formwand auftreffenden Fadens zu erzeugen.
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Es können auch andere Mittel vorgesehen werden, um die schnelle Bewegung
des Weges des Fadens zu erreichen, die erforderlich ist, um eine gute Bedeckung
zu erzielen. Beispielsweise kan der Faden, bevor er in den Tränkkopf eintritt, über
eine exzentrische Scheibe oder Rolle geführt werden. Alternativ kann der Weg des
Fadens durch einen Luft-oder Gasstrom verändert werden, beispielsweise, indem der
Faden durch eine Kammer geleitet wird, in der ein Luftwirbel erzeugt wurde. Durch
geeignete Ausbildung des Inneren dieser Kammer kann es erreicht werden, daß das
Zentrum des Wirbels sich in einer kreisförmigen Behn bewegt. Diese Hittel können
für sich oder in Kombination angewandt werden, um den Weg des Fadens zu beeinflussen,
wenn dieser den Tränkkopf verläßt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Kopf kann eine Bewegung
des Weges des Fadens erreicht werden, in dem die Geschwindigkeit und/oder das Volumen
des flüssigen Kunstharzstromes oder von Teilen des auf den Faden auftreffanden
Flüssigkeitsstromes
verändert werden, beispielsweise indem der innere Umfang der ringförmigen Öffnung
11 relativ zum äußeren Umfang bewegt wird oder indem verschiedene Teile des Ringraumes
mit verschiedenen Kammern in Verbindung stehen1 in welchen unterschiedliche Flüssigkeitsfrücke
herrschen.
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Die Flüssigkeit kann von einer üblichen Pumpe oder Druckkammer unter
Druck zugeführt werden , wobei die Pumpe außerhalb oder innerhalb der Vorrichtung
angebracht sein und von der gleichen Kraftquelle angetrieben werden kann. binde
Erwärmung kann, falls erforderlich, durch Beizelewente oder durch Dissipation von
viskoser Energie in der Flüssigkeit erzeugt werden Es sei darauf hingewiesen, daß
die Erfindung nicht auf die Herstellung von dünnwandigen Gesnständen beschränkt
ist, sondern auch zur Anbringung von Faserverstärkungen auf 2nderen Flächen brauchbar
ist, beispielsweiso zur Fertigbe arbeitung von Gegenständen, die mit einer Oberflächenbeschichtung
aus faserverstärktem Material versehen werden.
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- Patentansprüche -