DE2455154A1 - Geraet zum verarbeiten von faeden - Google Patents

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Patentanwälte:

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München, den21.November 1974 B 6315

Imperial Metal Industries (Kvnoch) Limited
Birmingham, Großbritannien

Gerät zum Verarbeiten von Fäden

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Behandeln von Fäden, insbesondere ein Gerät zum Behandeln eines,Bündels oder Bandes von Fäden.

Bei verschiedenen Industrien, beispielsweise bei solchen, die mit Kohlefäden, Glasfasern oder anderen fadenförmigen Materialien zu tun haben, besteht das Erfordernis, ein Band aus solchen Fäden bearbeiten zu können und diese mit einer über die Breite des Bandes gleichfönnigen Zugkraft

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zu belasten. Für eine maximale Wirksamkeit sollten alle Fäden einen gleichen Anteil der angelegten Last auch bei gebogenen oder verformten Zuständen aufnehmen können. Das ist besonders wichtig bei Fäden, die einen hohen Modul und eine geringe Belastungsfähigkeit aufweisen, wie zum Beispiel Kohlefaden. Um das Maximum bei dem gebogenen oder gewickelten Zustand zu erreichen, wäre es notwendig, das Fadenbündel in einem solchen Ausmaß zu verbreitern, daß jeder Faden neben dem benachbarten liegt, um dem Band von Fäden die minimale Höhe und den Zustand maximaler Biegsamkeit zu geben. Dieser bevorzugte Zustand ist faktisch unmöglich, je mehr er aber angenähert werden kann, um so größer ist die Wirksamkeit der Anwendung des Bandes. Daher befaßt sich die Erfindung im besonderen mit einem Gerät zum Verbreitern und Abflachen eines Bandes aus Fäden.

Gemäß der Erfindung weist das Gerät zum Verbreitern und Abflachen eines Bandes aus Fäden eine Eingangsbandführung, eine Verbreiterungsvorrichtung sowie eine Ausgangsbandführung auf, wobei die Verbreiterungsvorrichtung eine Fläche besitzt, die das Band zwischen den Führungen berührt und so gekrümmt ist, daß sie die Fäden in der Mitte des Bandes aus ihren Wegen zwischen den Führungen in einem Ausmaß verschiebt, das größer ist als irgendeine Verschiebung der Fäden an den Kanten des Bandes.

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Die berührende Fläche der Verbreiterungsvorrichtung kann sich mit der Bewegung des Bandes bewegen, beispielsweise durch Ausbildung auf einem drehbaren Träger, oder sie kann feststehend sein, damit das Band darübergleiten kann»

Vorzugsweise ist die Verbreiterungsvorrichtung zum Verändern der relativen Verschiebung zwischen den Mittel- und RandfSden einstellbar.

Weiterhin ist es vorteilhaft, daß für alle Fäden die gleiche Weglänge zwischen den Führungen besteht.

Die Erfindung betrifft im besonderen ein Gerät zum Verbreitern ynd Abflachen eines Bandes aus Kohlefaserfäden, die in der Technik üblicherweise als "Werg" aus Fäden bezeichnet werden. Zur zweckdienlichen Verwendung von Kohlefasern werden diese üblicherweise in Form von Werg hergestellt oder geliefert, das normalerweise IO 000 Kohlefäden enthält. Das Werg selbst wird am zv/eckdienlichsten Verwendet, wenn es sehr dünn und folglich breit ist, so daß ein bestehendes Gerät ein Werg aus 10 000 Fäden in einem Herstellungsprozeß auf ungefähr 6 irm ausweiten kann. Das wird herkömmlicherweise dadurch bewerkstelligt, daß man das Werg unter Zugkraft über zumindest eine feststehende gerade Stange laufen läßt, wobei diese Zugkraft die Fäden auf die Stange herunterzieht und dadurch das Band verbreitert. Der Nachteil dieses Verfahrens

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besteht jedoch darin, daß die Fäden an den Rändern des Wergs einer größeren Zugkraft ausgesetzt sind als die in der Mitte des Wergs, was infolge der relativen Undehnbarkeit des Kohlefäden zur Folge haben kann, daß an den mittleren Fäden keine Zugkraft auftritt, so daß sie sich daher bewegen und knicken können. Folglich zeigt das Werg das Bestreben, sich entlang seiner Mitte zu trennen. Zusätzlich erzeugt die Zugkraft an den Fäden an den Rändern des Wergs eine einwärts gerichtete Kraft, die ihr nach auswärts gerichtetes Verbreitern behindert. Diese Schwierigkeiten werden weitaus größer bei den Versuchen, das Werg noch mehr zu verbreitern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Geräts zum Verbreitern

eines Bands aus Fäden nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 zeigt das .Gerät gemäß Fig. 1 in Draufsicht;

Fig. 3 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche „Ansicht eines Geräts zum Verbreitern eines Bandes aus Fäden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht des Geräts nach Fig. 3;

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Fig. 5 stellt alternative Verbreiterungsvorrichtungen

zur Verwendung bei dem Gerät gemäß den Fig. 3 und 4 dar; und

Fig. 6 stellt ein Gerät zum Gestalten eines vorimprägnierten Produkts ("pre-preg") aus Kohlefäden dar, dem ein erfindungsgemäßes Gerät zum Verbreitern und Abflachen eingegliedert ist.

Die Fig. 1 und 2 stellen den Stand der Technik dar, bei dem eine Eingangsbandführung 10 ein Band aus Fäden einer Verbreiterungswalze oder -stange 11 zuführt, von der das Band zu einer Ausgangsbandführung 12 gelangt. Wie in Fig. 2 dargestellt unterliegen die Fäden in der Mitte des Bandes einer geringeren Zugkraft als die an den Rändern, so daß sie daher verlagert werden und knicken können.

Die Fig. 3 der Zeichnung zeigt die gleichen Eingangs- und Ausgangsbandführungen 10, 12. zwischen ihnen ist aber eine Verbreiterungsvorrichtung 13 angeordnet, die faßförmig gestaltet und auf einer zu den Achsen der Führungen 10, 12 parallelen Achse befestigt ist. Die Vorrichtung 13 steht normalerweise in ihrer Lage fest, obwohl sie von Zeit zu Zeit um ihre Achse gedreht werden kann, damit sie eine neue Fläche bietet, über die das Band aus Fäden bei seiner Bewegung zwischen den Führungen 10 und 12 gleiten kann.

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Vorzugsweise ist die Vorrichtung 13 mit Polytetrafluoräthylen (ptfe) zumindest oberflSchenbeschichtet,um eine geringe Berührungsreibung mit dem Band aus Fäden zu schaffen. Nötigenfalls kann das Polytetrafluoräthylen zwischen (nicht dargestellten) Schultern an jeder Seite der Vorrichtung .13 angebracht sein, wobei diese Schultern gegeneinander gespannt sein können, um die Vorrichtung 13 zu deformieren und ihren Krümmungsradius zu verringern.

Wie der Zeichnung zu entnehmen 1st, verschiebt die Vorrichtung 13 die Fäden in der Mitte des Bandes aus ihrem Weg zwischen den Führungen in einem Ausmaß, das größer ist als die Verschiebung der Fäden . an den Rändern des Bandes.

Diese Verschiebung ist vorzugsweise so gewählt, daß alle Fäden die gleiche Weglänge zwischen den Führungen 10, 12 aufweisen. Auf diese Weise wird das Band unter Beibehaltung der gleichen Zugkraft an jedem der Fäden verbreitert, so daß das Verbreitern und Abflachen zum Erzeugen eines breiteren Bandes erweitert werden kann, wobei die Mittelfäden der gleichen Zugkraft unterliegen wie die Fäden an den Rändern des Bandes. Daher wird bei dem so hergestellten Band jeder Fo^ η wirkungsvoll ausgenützt, wobei keine Tendenz besteht, daß sich das Band entweder mittig oder anderswo auf seiner Breite spaltet. Weiterhin übt die Verbreiterungsvorrichtung

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.f.

eine auswärts gerichtete Kraft zur Unterstützung des Verbreiterungsvorgangs aus. Darüber hinaus kann nunmehr die abflachende Zugkraft und damit das Risiko einer Abriebbeschädigung der Fäden verringert werden.

Die Fig. 5 stellt alternative Verbreiterungsvorrichtungen dar. Darin ist eine Pilzform 14 abgebildet, die in die Bewegungsbahn des Bandes zwischen den Führungen 10, 12 eingefügt werden kann. Ebenso ist eine Kugel 15 gezeigt, die die gleiche Wirkung wie die gekrümmte Fläche des Pilzes 14 besitzt. Es ist auch eine gebogene Stange 16 dargestellt, die durch Einfügen ihrer Fläche größter Außenwölhung in die Bewegungsbahn des Bandes verwendet wird. Die Stange kann um eine Achse zwischen den Mittelpunkten ihrer Stirnflächen verdreht werden, um die Wölbung und dadurch den Unterschied in der Verschiebung zwischen den Mittelfäden und den Randfäden einzustellen.

Eine besondere Anwendung der Erfindung besteht bei der Herstellung"eines verbreiterten und abgeflachten Wergs aus Kohlefasern, das ausreichend viel Harz enthält, um das Werg richtig in Form zu halten oder als eine Matrix zu dienen, um bei einem aus dem Werg hergestellten Gegenstand die Kohlefäden in ihrer Lage festzulegen. Daher wird in diesem Beispiel einem Werg aus Fäden eine erforderliche Menge an Harz zugefügt. Das kann durch.Hindurchführen durch ein Bad mit geschmolzenem

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oder gelöstem Harz und durch nachträgliches Entfernen A Überschusses erfolgen. Während das Harz noch geschmolzen oder in einem Lösungsmittel gebunden ist, läßt man das Werg über das erfindungsgemäße Gerät laufen, um es in das gewünschte breite dünne Band abzuflachen und zu verbreitern. In diesem Zustand läßt man das Harz fest werden oder das Lösungsmittel daraus ausdampfen, um das Werg in dieser Gestalt zu halten und seine weitere Bearbeitung zu ermöglichen.

Zur weiteren Erläuterung der Anwendung der Erfindung wird nunmehr auf die Fig. 6 Bezug genommen, die ein Gerät zum Formen eines vorimprägnierten Produkts ("pre-preg") aus Kohlefäden darstellt. Ein Werg aus annähernd 10 000 Fäden wird aus einem geeigneten Vorratsbehälter gezogen und so bearbeitet, daß Knicke aus den Fäden entfernt werden. Das Werg wird dann über ein Paar geneigter Walzen 20 gezogen, wobei es einige Umläufe um jede Walze macht, während es bei jedem Umlauf einer vergrößerten Zugkraft ausgesetzt wird, wie es nachstehend näher beschrieben wird.

Das von den Walzen 20 abgezogene Werg wird über eine Verbreitungswalze 22 und unter eine Harzverteilungsdüse 24 geführt. Eine geeignete Anordnung für die Harzzuführung ist in der britischen Patentanmeldung Nr. 19 225/72 beschrieben (entsprechend der am 2o. April 1973 angemeldeten US-Patentanmeldung Nr. 352 984). Die in dieser Anmeldung be-

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schriebene Anordnung ermöglicht die genaue Zufuhr einer erwünschten Menge an Harz zu dem Werg, so daß das gesamte Harz von dem Werg aufgenommen wird.

Das imprägnierte Werg wird dann in einen Ofen 26 geleitet, in dem Lösungsmittel abgeführt werden, so daß das Harz halbfest bzw. festweich werden kann.

Das den Ofen verlassende Werg wird dem erfindungsgemäßen Verbreiterungsgerät 28 zugeführt. Dieses Gerät ist so nahe wie möglich an dem Ofen 26 angebracht, so daß die Fäden verteilt werden, während das Harz noch in einer flüssigen Form ist, so daß es bei der Verbreiterungsfunktion schmierend wirkt.

Das Verbreiterungsgerät 28 besitzt eine Eingangswalze 30, ein im allgemeinen faßförmiges Teil 32, das der Walze in Fig. 3 äquivalent ist, sowie eine zylindrische Ausgangsführung 34. Die die Führung 34 verlassenden ausgebreiteten Fäden sind in der gewünschten bandartigen Anordnung und werden einer Aufeinanderfolge gleichartiger zylindrischer Führungen 36 zugeführt, die das Werg in dieser Anordnung halten, bis das Harz fest geworden ist. Gewünschtenfalls können in dieser Stufe Luftdtisen 38 vorgesehen werden, um das Festwerden des Harzes bei der geforderten Anordnung der Fäden zu erleichtern. Von den Führungen 36 wird das vorimprägnierte Produkt über weitere geeignete Führungen (wenn erforderlich) einem bei 40 Bchematisch dargestellten Aufwickelmechanismus züge-

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Es ist festzustellen, daß das trockene Werg aus Fäden über die Walze 22 ausgebreitet wird, bevor ihm über die Düse 24 Harz zugeführt wird; Das Imprägnieren des Wergs und dessen darauf folgende Erwärmung in dem Ofen 26 pflegt jedoch ein Zusammenballen der Fäden in einen Ballen mit halbwegs kreisförmigem Querschnitt zu verursachen. Die Walze 30 ist mit einem konkaven Profil versehen ,so daß sie diesen Fadenballen mit kreisförmigem Querschnitt aufnimmt und ihn bezüglich des Verbreitungsfasses 32 zentriert. Die Wirkungsweise des Fasaes 32 wurde unter Bezugnahme auf die vorhergehenden Figuren beschrieben. Die das Faß verlassenden Fäden weisen eine im allgemeinen "vertiefte" Anordnung auf, wobei das Werg durch die zylindrische Ausgangsführung 34 in die erwünschte flache bandartige Gestalt verformt wird.

Die Fläche des Fasses 32 kann in Beziehung zu seinem Abstand von der Eingangswalze 30 so angeordnet sein, ^^aß eine im wesentlichen gleichförmige Weglänge für die Fäden zwischen diesen beiden Teilen sichergestellt ist. Diese Anordnung kann vorgenommen werden, um sicherzustellen, daß alle der Fäden zumindest einen Bruchteil der dem Werg auferlegten Zugkraft übernehmen und daß die Gefahr eines Spaltens des vorimprägnierten Produkts in Längsrichtung herabgemindert wird.

Der Vorteil des Verbreiterungsgeräts gemäß der Erfindung bei dieser Art eines Geräts zur Herstellung eines vorimpräg-

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nierten Produkts besteht darin, daß es das

schnelle Ausbreiten, der Fäden nach dem Verlassen des Ofens 26 ermöglicht. Die seitliche Bewegung der Fäden wird.im wesentlichen zwischen der Eingangswalze 30 und.dem Verbreiterungsteil 32 mit einem relativ großen. Verbreiterungswinkel erreicht. Wenn der gleiche Verbreiterungswinkel mit Hilfe einer einzelnen Verbreiterungsstange mit zylindrischem Querschnitt erzielt werden sollte, wie es in den Flg. 1 und 2 dargestellt ist, wäre es notwendig, an das Werg eine beträchtliche Zugkraft anzulegen. Das ist von Natur aus unerwünscht, weil es das Imprägnieren der Fäden mit Harz erschwert und weil es auf ein "Aufflaumen" der Fäden abzielt, was bei diesen einen unerwünschten Zustand darstellt. Ferner führt durch die Anwendung hoher Zugkraft bei einem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Gerät die Ausführung der Verbreiterung zu einem selbstbegrenzenden Vorgang, weil die Zugkraft an den äußersten Fäden eine nach innen gerichtete Komponente erzeugt, die der Verbreiterungswirkung entgegensteht. Bei dem vorliegenden Fall erzeugt die Krümmung des Profils der Verbreiterunqsvorrichtunq eine die Verbreiterung der äußersten Fäden unterstützende Kraftkomponente und vermindert daher die zum Erreichen eines qegebenen Ausmaßes an Verbreiterung erforderliche Gesamtzugkraft.

Durch das Festlegen der Verbreiterungsweqlänge in der Weise, daß jeder Faden zumindest einen Bruchteil, vorzugsweise einen gleichen Anteil der Gesamtzugkraft trägt, vermeidet man weiterhin mit dem GerHt gemäß der Erfindung die Gefahr eines

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Längsspaltens des vorimprägnierten Produkts infolge des Schlaffwerdens der Fäden in dessen Mittelteil.

Es ist wünschenswert, die Verbreiterungsvorrichtung 32 mit einer Fläche zu versehen, die niedrige Reibungskennwerte sowie niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt, so daß während des Verbreiterungsvorganges das Harz so warin wie möglich gehalten wird. Zu diesem Zweck kann das Faß hohl sein und beispielsweise ein Rohr darstellen» das in die erforderliche Gestalt geformt worden ist.

Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 5 beschrieben worden ist, kann die faßartige Verbreiterungsvorrichtung durch alternative Gestaltungen ersetzt werden; beispielsweise kann eine gekrümmte Stange geeignet sein. In dieser Hinsicht ist es erwähnenswert, daß es nicht wesentlich ist, die Weglänge für die Fäden zwischen der Verbreiterungsvorrichtung und der Ausgangsführung konstant zu halten, da eine weitgehende Länge für diesen Weg annehmbar ist, wenn man bedenkt, daß die Verbreiterung der Fäden erzielt worden ist und das Harz nunmehr fest werden darf. Die Verformung des Wergs aus einer vertieften in eine bandartige Anordnung wird in dieser Bearbeitungsstufe durch das Ausmaß des Festwerdens des Harzes nicht ernsthaft behindert. Wenn der Abstand zwischen der Verbreiterungsvorrichtung und dem Ausgangszylinder groß genug gemacht wird, machen jegliche Weglängenunterschiede in dieser Stufe nur einen relativ kleinen Bruchteil des Weges aus, so daß sie die Verteilung der Zugkraft über das Band nicht merklich beeinflussen.

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Die Zugkraft wird auf das Werg durch Bremsen des Wergs an den Walzen 20 mit Hilfe einer einstellbaren Bremsvorrichtung 42 aufgebracht.

Die Erfindung ist besonders brauchbar für Fäden mit hohem Modul, von denen ein Kohlefaden nur ein Beispiel darstellt. Wie vorstehend angeführt, kann das Gerät modifiziert v/erden, die Anordnung erfolgt aber vorzugsweise so, daß die Weglänge von der Eingangsführung zu der Ausbildung des flachen Bandes im wesentlichen für jeden Faden die gleiche ist. Die Modifikation mit der gekrümmten Stange sowie mit langer Weglänge zu der Ausgangs führung ipag zwar ein annehmbares, jedoch kein optimales Produkt erzeugen lassen.·

Jede Ausgangsführungsfläche ist zufriedenstellend, die die erforderliche Bandform ergibt. Die Verbreiterfläche kann mit oder gegen die Richtung der Fadenbewegung' drehbar sein. Die Eingangswalze mit konkavem Profil kann durch eine Mehrzahl von Führungen ersetzt werden, die die Zuführfunktion und die Zentrierfunktion getrennt ausführen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Gerät zum Verbreitern und Abflachen eines Bündels von Fäden zu einer bandartigen Anordnung beim Durchziehen desselben durch das Gerät, gekennzeichnet durch eine Eingangsführungsvorrichtung (10; 30) für das Bündel, eine Verbreiterungsvorrichtung (13 bis 16; 32) mit einer Fläche, die in Richtung der Bewegung der Fäden gesehen ein gekrümmtes Profil besitzt und gegen die das Bündel zum Auseinanderbreiten der Fäden unter Spannung gezogen werden kann, sowie durch eine weitere Führungsvorrichtung (12; 34) zum Formen der auseinandergebreiteten Fäden in die bandartige Anordnung.

   2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsführung (12; 34) eine Fläche aufweist, die in Richtung der Bewegung der Fäden gesehen ein .gradliniges Profil darstellt.

   3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsführung (12; 34) die Form eines Zylinders besitzt.

   4. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbreiterungsvorrichtung (13;16) einstellbar ist, um eine Einstellung der Krümmung ihrer Fläche zuzulassen.

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   5. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbreiterungsvorrichtung (13) hohl ist.

   6. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Festlegen der Verbreiterungsvorrichtung gegen Drehung, so daß die Fäden über deren Fläche gleiten.

   7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Einstellung der von den Fäden berührten Fläche verstellbar ist.

   8. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Fläche der Verbreiterungsvorrichtung auf die Weise mit deren Abstand von der Eingangsführungsvorrichtung (10; 30) in Beziehung steht, daß für ein gegebenes Ausmaß der Verbreiterung dor dazwischen liegende Bewequngsv.'cq für alle Fäden im v/esentlichcn gleich ist.

   'J. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 'H:kiinM/.eichnut., u-nß es mit einer Verrichtung (40) zum Durchziehen der Faaen durch das Gerät und mit einer Vorrichtung (24) zum Aufbringen von aushärtbarem Behandlungsmaterial in flüssiger Form auf die Fäden kombiniert ist, wobei das Gerät so angeordnet ist, daß es die Fäden auseinanderbreitet, während das Behandlungsmaterial noch flüssig ist.

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   10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Harz ist, daß eine Erwärmungsvorrichtung (26) zum Erwärmen des Fadenbündels nach dem Aufbringen des Harzes vorgesehen ist und daß das Gerät (2 8) zum Verbreitern und Abflachen unmittelbar hinter der Erwärmungsvorrichtung angeordnet ist.

   11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsführungsvorrichtung (34, 36) so angeordnet ist, daß sie die Fäden in der bandartigen Anordnung hält, bis das Harz fest geworden ist.

   12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsführungsvorrichtung eine Mehrzahl hintereinander angeordneter Zylinder (34, 36) aufweist.

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