DE2507675A1

DE2507675A1 - Verfahren zur impraegnierung von kohlenstoffaserstraengen und -baendern

Info

Publication number: DE2507675A1
Application number: DE19752507675
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr Ing Heissler; Horst Dr Ing Wurtinger
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1975-02-22
Filing date: 1975-02-22
Publication date: 1976-09-02
Also published as: FR2301611A1; GB1498552A; FR2301611B3; NL7600415A; DE2507675B2; DE2507675C3

Description

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Akti engesellschaft

München, den 2o. Januar 1975

Verfahren zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen und -bändern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen und -bändern größerer Längen.

Kohlenstoffasern mit ausreichender Gleichmäßigkeit in großen Längen (^looo m) sind als Verstärkungsfasern für Anwendungsbereiche interessant, bei welchen diese großen Längen unabdingbar notwendig sind, wie beispielsweise beim Wickeln von Behältern etc.. Gegenüber der herkömmlichen Glasfaser weist jedoch die Kohlenstoffaser in der Verarbeitung erhebliche Nachteile auf. So ist sie beispielsweise aufgrund ihres etwa 5 bis 5-fach höheren Ε-Moduls gegenüber der Glasfaser wesentlich knickempfindlicher. Die Zahl von gebrochenen bzw. beschädigten Fasern in einem Strang von beispielsweise lo.ooo Elementarfäden ist wesentlich größer als in einem vergleichbaren Glasfaserstrang.

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Diesen Umständen muß bei der Verarbeitung von Kohlenstofffasersträngen nach dem Paserwickelverfahren in hohem Maße Rechnung getragen werden, wenn ein Wickelkörper hergestellt werden soll, in welchem ein hoher prozentualer Ausnutzungsgrad der Kohlenstoffaserfestigkeitswerte erreicht werden soll.

Es ist bekannt, die zu verwendenden Kohlenstoffasern auf später als Abwickelspulen dienenden Spulenkörpern in wilder Wicklung, d.h. mit einem Winkel von ungefähr 45 - 7o° zur Spulenlängsachse in Längen von ab ca. 5oo - 6oo m aufzuwickeln. Wird dann der Kohlenstoffaserstrang mit einer Abzugskraft von etwa 5oop und mehr von der Abwickelspule abgezogen, so ist es unvermeidbar, daß der in Kreuzlagen aufgewickelte Kohlenstoffaserstrang während des Abziehens erheblich beschädigt wird.

Aus der DT-OS 2 lol 756 ist nun ein Verfahren zur Imprägnierung eines Kohlenstoffaserstranges bekannt, bei dem eine weitgehende Reduzierung des Anteils an beschädigten Elementarfäden im Strang dadurch gewährleistet wird, daß die Abwickelspule schwenkbar ist und zwar mit einem Winkel, der dem Aufspulwinkel des Kohlenstoffaserstranges entspricht, wobei ferner die Abwickelspule beim Abwickelvorgang gebremst wird, so daß eine regelbar geringe Abzugskraft, etwa zwischen 5o - 25op, aufgebaut wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß der Kohlenstoffaserstrang verhältnismäßig schonend von der Abwickelspule abgezogen wird, ohne die darunterliegenden Lagen zu reiben und somit zu beschädigen. Diese Winkeleinstellung wird solange beibehalten, bis der Strang

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am einen Ende der Abwickelspule angelangt ist. Ist dies der Fall, so wird durch lichtelektrische Steuerung die Abwickelspule so weit geschwenkt, daß der nunmehr auf der Abwickelspule in der Richtung der Längsachse zurücklaufende Faden weitgehend reibungsfrei von der Wicklung abläuft. Die Abwickelspule wird abermals geschwenkt, wenn der Faden das andere Ende der Abwickelspule erreicht hat. Der trockene Kohlenstoffaserstrang läuft nun über Rollen zu einer ersten Imprägniervorrichtung. Diese weist eine thermostatisierbare Wanne auf, welche das auf die günstigste Imprägniertemperatur gebrachte Imprägnierharz enthält. Senkrecht zur Längsachse enthält diese Wanne eine Metallwalze, welche in das Harzbad eintaucht. Der Kohlenstofffaserstrang 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. Der Kohlenstoffaserstrang wird weiterhin über eine zweite Imprägniervorrichtung geführt, die analog der oben beschriebenen ausgebildet ist, und so gelenkt, daß die bei der ersten Imprägnierwalze obenliegende Strangoberfläche bei der zweiten Imprägnierwalze direkt über die Walze geführt wird. Der imprägnierte Strang wird nun über mehrere Umlenkrollen zum Fadenauge der Wickelmaschine geführt, wobei diese Umlenkrollen gebremst werden, damit sich eine einstellbare maximale Abzugskraft bzw. Fadenspannung des imprägnierten Kohlenstoffaserstranges aufbauen kann.

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Mit Hilfe des im vorangehenden beschriebenen, bekannten Verfahrens ist es zwar möglich, eine weitgehende Reduzierung des Anteils an beschädigten Elementarfäden im Strang sowie eine hohe Gleichmäßigkeit der Harzverteilung im Strang zu erzielen, andererseits jedoch ist dieses Verfahren zufolge der Verwendung der schwenkbaren Abwickelspule in Verbindung mit den hierbei erforderlichen Bremsmaßnahmen, um eine regelbar geringe Abzugskraft einzustellen, noch verhältnismäßig kompliziert, aufwendig und demgemäß auch kostspielig.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Verfahren zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen und -bändern anzugeben, bei dem einerseits die dem bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile vermieden werden, andererseits aber die durch das bekannte Verfahren bereits erzielten Vorteile nicht nur beibehalten werden, sondern sogar noch erhöht werden können.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren in der Kombination der Merkmale, daß der Kohlenstofffaserstrang im wesentlichen unter Vermeidung einer auf ihn einwirkenden Zugspannung in eine Harzimprägniervorrichtung eingeführt wird, anschließend mittels Walzen beidseitig imprägniert wiri nach der Imprägnierung zur Erzeugung der erwünschten Aufwickelspannung ein aus mehreren Bremsrollen bestehendes Umlenksystem durchläuft und sodann mit der erzeugten Vorspannung aufgewickelt ^wird.

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Ein ganz besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu erblicken, daß im ersten Verfahrensschritt auf die Verwendung einer Abwickelspule, auf welche der Kohlenstofffaserstrang kreuzgewickelt ist, überhaupt verzichtet werden kann. Da man praktisch keinerlei Abzugskräfte benötigt, wenn der Strang in die Harzimprägniervorrichtung eingeleitet wird, ist die Gefahr einer Beschädigung von Elementarfäden im Kohlenstofffaserstrang so gut wie überhaupt nicht gegeben.

Gemäß weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Kohlenstoffaserstrang zum Einführen in die Imprägniervorrichtung einem Vorratsbehälter entnommen werden, in dem der Kohlenstoffaserstrang im wesentlichen wendelförmig eingelegt ist. Eine solche Maßnahme erlaubt in ganz besonders vorteilhafter Weise ein zugspannungsarmes Einführen des Kohlenstoffaserstranges an der Eingangsseite der Harzimprägniervorrichtung.

Unter Umständen kann es aber auch zweckmäßig sein, daß der Kohlenstoffaserstrang in leicht vorgebremstem Zustand in die Harzimprägniervorrichtung eingeführt wird.

Die mit dem ersten Verfahrensschritt kombinierten, weiteren Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gewährleisten darüber hinaus aber auch, daß eine hohe Gleichmäßigkeit des Harz/ Paser-Verhältnisses, eine Luftblasenfreiheit, sowie eine hohe Gleichmäßigkeit der Harzverteilung im Strang in optimaler Weise erzielt werden können.

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Im übrigen besteht im Rahmen der vorliegenden Erfindimg auch die Möglichkeit, Kohlenstoffaserstränge, die in einer solchen Weise auf Spulenkörper aufgewickelt sind, daß beim spannungsarmen Abziehen keine Beschädigung der trockenen Kohlenstoffasern erfolgen kann, in gleicher Weise ohne Verwendung einer Schwenkvorrichtung für die Abwickelspule in die Imprägniervorrichtung einzuführen.

Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen oder -bändern dient die beigefügte Zeichnung, in der eine Imprägniervorrichtung schematisch dargestellt ist, die beispielsweise zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden kann.

Ein Kohlenstoffaserstrang 1 größerer Länge wird in der gezeigten Imprägniervorrichtung über ein Rollensystera 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 zueinander stehen und einen rechten Winkel zur Platte einnehmen. Am Eingang der Imprägniervorrichtung wird der Strang 1 in der Weise in diese Vorrichtung eingeführt, daß der Strang praktisch keiner Zugspannung unterworfen ist, wodurch die Gefahr einer Beschädigung der Elementarfäden so gut wie ausgeschlossen ist. Der Strang 1 wird aus einem Vorratsbehälter 2 entnommen, in welchem der Strang in Form einer Wendel 13 enthalten ist, wie

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dies in der Zeichnung schematisch durch einige Windungen angedeutet ist· Man hat den Kohlenstoffaserstrang unmittelbar nach seiner Herstellung wendelförmig und mit sehr großer Länge in den Behälter 2 einlaufen lassen. Vom Behälter 2 aus wird der Strang 1 sodann 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 ¹J zugeführt. Beide Harzimprägnierwalzen 5 und 7 tauchen jeweils in ein Harzbad 8, 8a, das über ein thermostatisiertes Heizbad 9, 9& 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 Io und loa 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, wobei die gewünschte Aufwickelspannung erzeugt wird.

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Die Bremskraft der Bremsrollen ist einstellbar, so daß der Kohlenstoffaserstrang am Wickelkern 12 mit einer Vorspannung von z„B. 5 kp aufgewickelt werden kann.

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Claims

cr/sd - a ·

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Aktiengesellschaft

München, den 2o. Januar 1975

Patentansprüche

1« Verfahren zur Imprägnierung von Kohlenstoffasersträngen und -bändern größerer Längen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffaserstrang (l) im wesentlichen unter Vermeidung einer auf ihn einwirkenden Zugspannung in eine Harzimprägniervorrichtung eingeführt wird, anschließend mittels Walzen (5, 7) beidseitig imprägniert wird, nach der Imprägnierung zur Erzeugung der erwünschten Aufwickelspannung ein aus mehreren Bremsrollen (ll) bestehendes Umlenksystem durchläuft und dann mit der erzeugten Vorspannung aufgewickelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffaserstrang zum Einführen in die Imprägniervorrichtung einem Vorratsbehälter (2) entnommen wird, in dem der Kohlenstoffaserstrang im wesentlichen wendelförmig eingelegt ist.

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Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffaserstrang in einem leicht vorgebremsten Zustand in die Harzimprägniervorrichtung eingeführt wird.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 3j dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffaserstrang in einer solchen Weise auf einen Spulenkörper aufgewickelt ist, daß der Strang von diesem Spulenkörper zugspannungsarm abgezogen und in die Imprägniervorrichtung eingeführt werden kann.

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