DE2603540A1

DE2603540A1 - Das induktionswaermehaerten von leitendem fasermaterial

Info

Publication number: DE2603540A1
Application number: DE19762603540
Authority: DE
Inventors: William Brandt Goldsworthy
Original assignee: Glastrusions Inc
Current assignee: Glastrusions Inc
Priority date: 1975-01-31
Filing date: 1976-01-29
Publication date: 1976-08-05
Also published as: US3960629A

Description

1 BERLIN 33 8 MÜNCHEN

Auguste-Viktoria-Straße 65 _n DIIQr¹Hk¹PAPARTMFR Pienzenauerstraße 2

Pat,Anw. Dr. Ing. Ruschke VT. RUbOMKt & HAKINtK Pat.-Anw. Dipl.-Ing.

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TELEX. 18378B TELEX: 522767

G 1567

Glastrusions, Incorporated, 1760 Crenshaw Boulevard, Torrance, California, V.St.A.

Das Induktionswärmehärten von leitendem Fasermaterial

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung harzgetränkter Glasfaserstränge.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Erwärmung durch elektrische Wellenenergie zum Härten des katalysierten wärmehärtenden Harzes einzusetzen, mit dem ein Glasfasergespinst getränkt ist. Diese Verfahren sind durch den Einsatz von hochfrequenter Energie im Bereich von 45 ... 500 MHz oder Mikrowellenenergie im Frequenzbereich von 950 ... 5200 KHz verbessert worden. Verwendet man elektrische Wellenenergie zum Anregen des Härtens im katalysierten Harz, kann man die Härtung über den gesamten Querschnitt des noch ungehärteten katalysierten Rohmaterials gleichzeitig anregen und damit den Härtevor-

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ORIGINAL INSPECTED

gang in einer Durchlauf-Herstellungsanlage erheblich beschleunigen und verbessern.

Die Verwendung elektrischer Energie in den oben erwähnten Frequenzbändern war im wesentlichen auf das Härten von Rohmaterial gerichtet, bei dem sowohl das Harz als auch die Fasern aus nichtleitendem Material bestehen. Die elektrische Wellenenergie bewirkt dabei ihrem Wesen nach, daß nichtleitende Materialien auf sie augenblicklich ansprechen. Handelt es sich bei den Verstärkungsfasern um Metallfäden oder einen anderen der neueren halbleitenden Kunststoffe wie Bor- oder Kohlenstoffasern, ist der Einsatz der elektrischen Wellenenergie auf die bisher geübte Art als Mittel, mit dem die Wärme erzeugt wird, die den Härtevorgang einleiten soll, nicht mehr möglich.

Obgleich man ein Verbundmaterial aus wärmehärtendem Harz und Fasern aus leitendem Material mit Mikrowellenenergie leicht aufheizen kann, besteht dabei der Nachteil, daß die leitenden Fasern überhitzt werden, wenn das Harz sich auf der Härtetemperatur befindet. Auf diese Weise läßt sich eine saubere Bindung nicht erreichen. Die Fasern können dabei so heiß werden, daß das unmittelbar angrenzende Harz Schaden nimmt oder verkohlt. Es scheint kein Mittel zu geben, mit dem sich die Wellenenergie so steuern läßt, daß der Aufheizeffekt zwischen den beiden Substanzen mit der unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit ins Gleichgewicht gebracht werden kann.

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Man hat in bestimmten Fällen beheizte Formrohre zum Härten herkömmlicher faserverstärkter katalysierter wärmehärtender Harze der üblichen Zusammensetzungen verwendet. Diese Formrohre hat man notwendigerweise von außen erwärmt und damit die Härtung auf der Außenseite des katalysierten Harzes begonnen. Hierbei müssen zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden, um zu gewährleisten, daß das katalysierte Material über den gesamten Querschnitt vor Behandlungsabschluß vollständig aushärtet. Derartige extern beheizte Formrohre lassen nur einen geringen Materialdurchsatz zu, und die dem Verfahren auf diese Weise auferlegte Leistungsgrenze ist bisher ein wesentliches Hindernis gewesen. Obgleich Formrohre aus Stahl oder vergleichbaren Metallen in der Lage sind, ihre Abmessungen und Gestalt beizubehalten, haben die in der Praxis aufgetretenen Schwierigkeiten nicht nur der Arbeitsgeschwindigkeit, sondern auch den Querschnittsgrenzen des gehärteten Materials Grenzen auferlegt.

Wenn sowohl die Ziehform als auch das Material leitend sind, entsteht ein Zustand, der ein völlig unterschiedliches Härteverfahren erfordert; dies besonders, wenn das Endprodukt für alle Querschnittsformen eng toleriert sein soll und man eine Ausgangsgeschwindigkeit fordert, die das Produkt auf dem Markt wettbewerbsfähig bleiben läßt.

: Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen neuarti- ! gen und verbesserten Strang aus Harz und leitenden Fasern sowie· ι ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen

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Stranges anzugeben, wobei das fertige Material eine zuverlässige gehärtete.Zusammensetzung von im wesentlichen beliebiger Prof^lgestalt und beliebiger Massenverteilung über dem Profil aufweist.

Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich schnell und wirkungsvoll für die Behandlung von Material mit nichtleitenden Fasern umstellen, um den apparativen Aufwand einer solchen Anlage zu begrenzen; weiterhin erfordert eine solche Anlage für die Umstellung ein Minimum an Ausfallzeit.

Die Erfindung besteht aus der Konstruktion, Anordnung und Kombination der unterschiedlichen Teile der Vorrichtung und des Verfahrens, mit denen die gesetzten Ziele erreicht werden, wie im folgenden ausgeführt, in den folgenden Ansprüchen dargelegt und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 ist ein Seitenriß einer Maschine, die in der Lage ist, das Verfahren nach der Erfindung zu verwirklichen, wobei Teile des Verfahrenslaufs schematisch dargestellt sind;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt des Teils der Vorrichtung, in dem der erste Härteschritt stattfindet;

; Fig. 3 ist ein Schnitt auf der Linie 3-3 der Fig. 2; Fig. 4- ist eine Längsansicht auf der Linie 4—4 der Fig. 2; Fig. 5 ist ein Schnitt auf der Linie 5-5 der Fig. 2;

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Fig. 6 ist eine Schnittansicht ähnlich der Fig. 5» stellt aber eine andere Querschnittsgestalt dar;

Fig. 7 ist ein Längsschnitt ähnlich der Ansicht der Fig. 2, stellt aber eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar;

Fi'g. 8 ist ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen dem Faserrichtwinkel und der Temperatur.

Um die Anwendung der Induktionserwärmung auf ein faserverstärktes Harzverbundmaterial zu verstehen, soll das Wesen dieser Heizart erläutert werden, die auch als "Wirbelstromerwärmung" bezeichnet wird. Diese Bezeichnung erfaßt allgemein die Wärmeerzeugung in einem leitenden Material durch magnetisch induzierte Ströme. Die derzeit hierfür ausgenutzten Frequenzen liegen im Bereich von 60 bis 5 000 000 Hertz, oblgijech man in den wesentlichen Anwendungen Frequenzen von 1 000 bis 2 000 000 Hz verwendet. Da die Tiefe des Bereiches, in dem die Wärme erzeugt wird, frequenzabhängig ist, verwendet man allgemein mehrere verschiedene Frequenzen sowie Einrichtungen, um diese zu erzeugen. Zu Anfang benutzte man Umformersätze, um Frequenzen zwischen etwa 60 Hz und 15 kHz zu erzeugen. Nach und nach ist man auf elektronische Oszillatoren und Frequenzen über 15 kHz übergegangen. Durchfließt ein Wechselstrom einen Leiter, erzeugt er in dem umgebenden Raum ein magnetisches Wechselfeld, das, wenn ein elektrisch leitendes Material sich in ihm befindet, in diesem Material einen Stromfluß erzeugt, der so gerich-

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tet ist, daß das von ihm erzeugte magnetische Gegenfeld das erregende Feld auslöschen will.

Da der externe magnetische Fluß die Oberfläche durchdringen muß, bevor er das Innere des leitenden Materials erreicht, fließt der größere Stromanteil nahe der Oberfläche, und der Erwärmungseffekt nimmt mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche in das Material hinein ab. Normalerweise erhält man die besten Ergebnisse, wenn das zu erwärmende Material innerhalb der Spule liegt; eine Erwärmung läßt sich Jedoch auch erreichen, wenn man das Material außerhalb, aber in unmittelbarer Nähe der Spule anordnet. Folglich ist die Gestalt der Spule wesentlich, wenn man die Form des zu erwärmenden Gegenstandes in Betracht zieht.

Aus der Theorie der Induktionserwärmung ist bekannt, daß strenge Gleichungen für die Wirbelstromverluste ziemlich kompliziert sind und sich nicht unmittelbar anwenden lassen. Aus diesem Grund sind Näherungsformeln angebracht, die den Zusammenhang zeigen und das zu lösende Problem dem Verständnis näher bringen. Die in dem zu erwärmenden Teil als Wärme umgesetzte Leistungsmenge in Kategorien der magnetischen Flußdichte und Frequenz unter Einbeziehung der elektrischen Eigenschaften des erwärmten Leiters ist ₍

8 7Γ

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Die mit dem Zeichen & "bezeichnete Eindringtiefe der Wärme für eine gegebene Frequenz; und ein gegebenes Material ist gleich

2 T _/Uf

Diese Tiefe ist diejenige, bei der die Wirbelströme auf etwa 37 # ihrer Stärke an der Oberfläche abgefallen sind. Aus diesen Beziehungen läßt sich die in ein leitendes Material übertragene Leistung angeben, die dort zu Wärme umgewandelt wird, und zwar mit der magnetischen Flußdichte, dem spezifischen Widerstand, der magnetischen Permeabilität des Materials und der Frequenz des induzierten Stromes. Für ein gegebenes leitendes Material und vorgegebene magnetische Flußstärke lassen die obigen Gleichungen zu einfacheren Ausdrücken umformen, um die Offenbarung leichter verständlich zu machen, nämlich

erzeugte Wärme '—' U Frequenz

Eindringtiefe ____JL___

F Frequenz

Diese einfacheren Beziehungen zeigen, daß die Eindringtiefe sich als die Entfernung von der Oberfläche des Leiters definie ren läßt, in der der induzierte Strom auf 37 # des an der Oberflache induzierten Stroms abgefallen ist.

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Unter vorgegebenen Bedingungen muß man also einen Kompromiß schließen zwischen der erzeugten Wärmemenge und der Art und Weise, auf die diese in Tiefenrichtung des Materials sich verteilt. In dem speziellen Fall des Pultrusionsverfahrens ("pultrusion process") ist erwünscht, die induzierte Wärme so gleichmäßig wie möglich zu verteilen, d.h. eine niedrigstmögliche Betriebsfrequenz anzuwenden. Um eine erforderliche Wärmemenge jedoch mit beliebig niedriger Frequenz zu erzeugen, ist eine sehr hohe magnetische .Feldstärke aufzubringen. Diese Forderung führt zu konstruktiven Schwierigkeiten hinsichtlich der erforderlichen Anlage und somit zu dem erwähnten Kompromiß.

Da in der Praxis der spezifische Widerstand leitender Fadenmaterialien, die für das Pultrusionsverfahren nützlich sind, verhältnismäßig hoch liegt, diese Fäden mit äußerst geringen Durchmessern verwendet werden und im Durchschnitt voneinander durch das umgebende Harzmaterial gut voneinander isoliert sind, kann man, wie sich herausgestellt hat, eine annehmbar gleichmäßige Erwärmung über einen breiten Bereich von Querschnittsformen mit verfügbaren Induktionswärmeanlagen erreichen, die im ; niederfrequenten bis hochfrequenten !Teil des Spektrums arbeiten.!

: Die hier offenbarte Erfindung zeigt, daß sich nützliche Ergebnisse mit Induktionswärmeanlagen im Bereich von 180 ... 300 kHz und mit speziellen Generatoren erreichen lassen, deren Arbeitsfrequenz bis 7 MHz reicht. Insbesondere erzielt man mit einem Querschnitt des Produkts von 25,4 mm (1 in.) auf unkritische Weise eine annehmbar gleichmäßige Erwärmung mit Frequenzen von

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180 ... 500 kHz, und Querschnitte in der Größenordnung von 3 mm (1/8 in.) lassen sich brauchbar mit 7 MHz erwärmen.

Aus diesen Darlegungen ist ersichtlich, daß die Frequenzwahl des Induktionsstroms auf praktischen Konstruktionserwägungen beruht. Die hier offenbarte Erfindung kombiniert das Pultrusionsverfahren mit der Induktionserwärmung, um die Härtegeschwindigkeit in dem Fall zu erhöhen, wenn es sich bei den leitenden Fasern im Verbundmaterial um solche aus elektrisch leitender Substanz handelt.

Bei der kontinuierlichen Herstellung von faserverstärktem Harzmaterial liegen die Fasern normalerweise in Form von Rohgespinst vor, das sich in Längsrichtung entlang der Achse des Materials und sich parallel zur Laufrichtung des Materials durch die Vorrichtung erstreckt. Da diese auf keinen Fall die einzig mögliche Orientierung der Fasern dieser Art ist, können die Faserachsen unterschiedlich und zuweilen selbst quer zur Laufrichtung, zuweilen winklig zu dieser und auch regellos, d.h. in verschiedenen -ttichtungen angeordnet sein. Selbst hierbei kann die Orientierung derart sein, daß ein größerer Anteil der Fasern in einer gewählten Richtung liegt, ein geringerer in einer anderen.

Man muß daher die Erwärmung der leitenden Fasern in den unterschiedlichen Orientierungen gegenüber der Achse der Induktionswärmespule in Betracht ziehen. Wie in Fig. 8 gezeigt, übersteigt die in den Fasern hervorgerufene Erwärmung die Umgebungstempera-I tür nur unwesentlich, wenn die Fasern parallel zur Achse der

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•Induktionsspule liegen; die Erwärmung nimmt fortwährend Ms zu einem Maximum zu, wenn die Achse der Faser unter einem Winkel von 90° zur Spulenachse liegt. Auch für lasern, die unter einem Winkel von 4-5° oder weniger orientiert sind, tritt jedoch eine erhebliche und annehmbare Erwärmung auf.

Setzt man das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zum Härten von Kunstharzmaterial ein, in das Fasern aus halbleitendem Material auf die genannte Weise eingebracht worden sind, steigt, wenn man ein Material der genannten Zusammensetzung richtig induktionserwärmt, die Temperatur über den gesamten Querschnitt im wesentlichen gleichmäßig an. Bei einer Kombination von Graphitfasern und Epoxymaterial mit einem Querschnitt von einem Zoll hat sich die Temperatur im Mittelpunkt der Querschnittsfläche als mindestens gleich der und in einigen Fällen etwas höher als die Temperatur an der Oberfläche herausgestellt.

Die in der Fig. 8 gezeigten Werte wurden an zylindrischen Profilen aus Rohmaterial aus Epoxyharz mit Graphitfasern in geeigneten Anteilen erhalten, das zur gründlichen Durchdringung auf einen Querschnittsdurchmesser von 9*525 πιπί (3/8 in.) gezogen worden war ("thorough impregnation drawn")· Sodann wurde das Material, in einer Spule mit einem Strom bis zu 30 A und einer Frequenz von etwa 7 MHz erhitzt, wobei das Rohmaterial unter verschiedenen Winkeln, d.h. 1°, 30°, 45°, 60° und 90° zur Achse zu einer Schraublinie gewickelt war. Eine Ausführungsform eines

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Verfahrens und einer Vorrichtung, mittels denen die Erfindung sich erfolgreich ausführen läßt, verwenden eine Pultrusionsmaschine, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und aus einem Bett 11 besteht, das die verschiedenen Teile der Anlage trägt.

Allgemein langgestreckte Faserstränge ("rovings of fibers") mit kleinerem Anteil an querliegenden Fasern werden von den Trommeln 15, 16 und 17 einem Rohr 18 zugeführt, desgleichen ein flüssiges wärmehärtendes Harzmaterial aus einem Vorratsbehälter 19 über eine Speiseleitung 20. Gleichzeitig gelangt ein flüssiger Harter aus einem Vorratsbehälter 21 über eine Speiseleitung 22 entweder in die Speiseleitung 20, wie dargestellt, oder unmittelbar in das Rohr 18 derart, daß eine geeignete Menge des Härters, nämlich eines Katalysators, dem Harz beigemischt wird und die so gebildete flüssige Mischung die Stränge 12, 13 und in den Rohren durchtränkt und sättigt. Es wird darauf verwiesen, daß Harz und Katalysator vorgeaischt werden können. In diesem j Fall durchlaufen die Fasern einen herkömmlichen Tränktank (nicht gezeigt)« bevor sie la das Rohr 18 eintreten; dieses dient dann nur XQm Verformen and Eliminieren von überschüssigem Harz und Luft. Als Folge tritt aus den Rohr ein getränkter Strang des Fasergespinstes aus, der sich als Strang 23 aus Rohmaterial bezeichnen läßt, und läuft zu einer Vordüse ("starter die") 25, die Überschüssig· flüssige Mischung aus dem getränkten Strang ausquetscht und über eine Leitung 26 an einen Ort surückführt, von dta aus sie erneut benutet oder entfernt werden kann« Eine

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öffnung 25' in der Vordüse 25 erteilt dem Strang 23 eine vorläufige Gestalt.

Eine erste Härtestufe für den gesättigten Strang 23 befindet sich am Ort einer Kammer 27 in einem Gehäuse 27'; sie läßt sich im Verfahrensablauf als die der Zusammenführstufe im Rohr 18 folgende Stufe auffassen. In der Kammer 27 befindet sich eine Induktionsspule, die allgemein mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist. Der Strom für.die Spule tritt in die Kammer auf einer Leitung 29 ein, fließt zu einem ersten Spulenteil 30 und von dort auf einem diagonal verlaufenden Teil 31 zu einem zweiten Spulenteil 32, der sich vom Spulenteil 30 im Abstand befindet. Eine Leitung 33 vom Teil 32 -stellt den anderen Anschluß zur Induktionsspule 28 dar. Eine Generatoreinheit 28' im wesentlichen herkömmlichen Aufbaus, die die erforderlichen Frequenzen erzeugen kann, ist an die Leitungen 29 und 33 angeschlossen. Das auf diese Weise erzeugte induktive Feld sollte in den Fasern eine Temperatur von nicht mehr als etwa 190 ⁰O (375 ⁰F) erzeugen. !

Hierauf folgt in Laufrichtung des gesättigten Stranges 23 eine allgemein mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnet· Fertigdüse, von der Teile in Fig. 2 und ein Längsschnitt in Teilen in Fig. 7 dargestellt sind· Diese Fertigdüse ist eine Verbundkonstruktion mit im wesentlichen einem Düsenrohr 36 aus Metall aus Stahl, Berylliumkupfer, Aluminium oder einem anderen Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit.

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Da ein mittiger Kanal 37 dem gesättigten Strang in einer wichtigen Stufe des Verfahrens einen ununterbrochenen Strömungsweg bieten soll, ist ein Düsenrohr 36 gewählter Querschnittsgestalt abnehmbar an einer Verbindungsstelle 38 angeschlossen. Das Düsenrohr 36 ist mit einem Kragen 39 versehen, der dicht an einer Schulter 40 eines Flansches 4-3 anliegt, um die Verbindung herzustellen. Ein zweiter Flansch 41 liegt - mit den Bolzen 42 festgelegt - auf einer Wand 44 auf, bei der es sich um eine der die Kammer 27 umgebenden Wände handelt·

Die soeben beschriebene Befestigungsart ist nur beispielhaft. Eine annehmbare Befestigung kann mittels der Platten 4-7 und 48 mit mit gegenüberliegenden Enden angebrachter Fertigdüse 35 erfolgen. Eine Öffnung 44· in der Wand 44 fluchtet axial mit der Düse 35·

Wie" in der Fig. 5 gezeigt, besteht die Fertigdüse 35 aus den beiden Düsenhälften 51 und 52, die jeweils die Hälfte des mittigen Strömungskanals 37 bilden, der in Fig. 5 in Form eines Kreuzes dargestellt ist. Die Düsenhälften 51' und 52' bilden ein H-Profil 37' wie in Fig. 6 oder praktisch jede andere gewünschte Querschnittsform - auch mit verhältnismäßig dünnwandigen, dickwandigen oder aus beiden kombinierten Teilen.

Um die Düsenhälften sind die Heizkissen 53, 54, 55 und 56 j herumgelegt, die in der gewählten Ausführungsform elektrische ; Widerstandsdrähte 57 zum Erwärmen der Kissen und damit der

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Düsenhälften von außen aufweisen. Auch andere bekannte und akzeptable Mittel zur Außenbeheizung lassen sich einsetzen.

Zum Bewegen des gesättigten Stranges 23 durch die Verfahrensstufen dient eine geeignete Zugmechanik 60, für die Einzelheiten beispielsweise in der US-PS 3 556 888 offenbart sind.

Der gesättigte Strang 23ι der nun an der in Fig. 1 gezeigten Stelle zu einem gehärteten Strang 24 geworden ist, wird von der Zugmechanik 60 erfaßt und entsprechend deren Konstruktion mit vorgewählter und stetiger Geschwindigkeit durch den Verfahrensverlauf gezogen, wobei die Mechanik über geeignete Ketten 61, 62, die über die Scheiben 63 und 64 laufen, angetrieben wird.

In der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird in der Kammer 27 eine spezielle, mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnete Induktionsspule verwendet; die Wellenenergie läuft von der Spule unmittelbar zu dem gesättigten Strang 23'. IJm den Strang 23' auszubilden, ist eine Vordüse vorgesehen, die hier wiederum mit dem Bezugszeichen 25 versehen ist und in einer Wand des Gehäuses 27' oder stromaufwärts desselben angeordnet und in geeigneter Form ausgestaltet ist.

Die Induktionsspule 81 der Fig. 7 ist in einer Form dargestellt,' die beispielhaft für eine Ausführung ist, mit der sich die Temperatur aller Fasern des Verbund-Stranges 23·, in dem die

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Fasern regellos bzw. anders als parallel zur Strömungsachse angeordnet sein können, erhöhen läßt.

Beispielsweise weist die Induktionsspule 80 eine Leitung 81 auf, die die Verbindung zu einem Spulenteil 82 unter und parallel zur Bewegungsbahn des Stranges 23' herstellt. Der Spulenteil kann kreisrund oder, falls bevorzugt, langgestreckt .sein, um sich einem wesentlichen Teil der Länge des Stranges in der Kammer 27 und dessen Durchmesser anzupassen. Der Spulenteil 82 ist unmittelbar mit einem diagonal angeordneten Spulenteil verbunden, der seinerseits mit einem Spulenteil 84 verbunden ist, dessen Achse konzentrisch mit der Achse des Stranges 2$· liegt. Der Spulenteil 84 ist weiterhin an einen Spulenteil 85 angeschlossen, der zum Spulenteil 82 parallel und mit ihm konzentrisch, aber auf der entgegengesetzten Seite des Stranges i 23* liegt, wodurch für diesen ein Durchllja entsteht· Der zweite ; Anschluß zur Induktionsspule 80 erfolgt über die Leitung 86.

In der gezeigten und beschriebenen Gestaltung bilden die Spulenteile Spulen, deren Achsen unter Winkeln von 90°, 4-5° und 0° zur Achse des Stranges 25 liegen. Wo also einige der Fasern unter einem Winkel von 4-5°, andere unter einem Winkel von 90° zur Achse des Stranges liegen, gibt es immer einen Spulenteil» der. die Temperatur dieser fasern maximal erhöhen kann. Nimmt nan an, daß in einem solchen Strang die meisten fasern parallel zur Bewegungsrichtung angeordnet sind, sind die Spulesteile sit dem höchsten Wirkungsgrad vorzugsweise unter einem Winkel von 90° zu dieser gerichtet« Liegt ein anderer Zusammenhang der laser-

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richtung vor, lassen sich Spulenteile vorsehen, die in dem für die Lage der Faserachsen geeignetsten Winkel angeordnet sind.

Zieht man die Anordnung der Faserachsen in unterschiedlichen Richtungen über den gesamten Querschnitt des Stranges 23' in Betracht, läßt sich praktisch augenblicklich über den gesamten Querschnitt eine Heizwirkung erreichen, die die Härtung und folglich den Durchgang des Rohmaterials durch den Verfahrensverlauf beschleunigt.

Wie bereits ausgeführt, tritt zwar bei der Induktionsheizung der stärkste Heizeffekt an der Oberfläche eines metallischen Leiters auf. Fasern aus leitendem Material, Kohlenstoff, Bor, Stahl oder dergleichen, haben jedoch einen sehr kleinen Durchmesser und infolge des sorgfältigen Einbettens in den Kunststoff, bei dem es sich um einen Nichtleiter handelt, gegeneinander isoliert· Folglich wird jede Faser unabhängig davon, ob sie sich im Mittelteil des Querschnitts oder nahe der Oberfläche befindet, im gleichen Maß aufgeheizt, und obgleich die Erwärmung nur an der Oberfläche maximal erfolgt, ist der Faserdurchmesser derart klein, daß für alle praktischen Zwecke der gesamte Querschnitt Jeder einzelnen Faser sofort die gewünschte !Temperatur annimmt und die Temperaturen den gesamten Querschnitt der Zusammensetzung erwärmen. Diese unmittelbare Heizwirkung ist es, die den Härtevorgang im Harzmaterial sofort einleitet, obgleich die Induktionswirkung der Spule im Dielektrikum einen Erwärmungszustand nicht unmittelbar hervorruft·

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Da weiterhin die Fasern aus leitendem Material das Mittel darstellen, mit dem die Wärme in der Masse erzeugt wird, läßt die Erwärmung dieser Fasern sich mittels der an die Spule gelegten Impulse sehr fein einstellen. Diese Einstellung läßt sich hinsichtlich der Frequenz willkürlich variieren, und zwar unter Inbetrachtziehung der Querschnittsfläche des Stranges und des elektrischen Leitvermögens des Fasermaterials, d.h. der Permeabilität und des spezifischen Widerstands.

Bei einer Doppeldüsenanordnung, wie sie hier beschrieben ist, braucht die den Mittendurchlaß bildende Düsenöffnung 25' nicht unbedingt genau die Endabmessung oder Endgestalt aufzuweisen, da der Härtevorgang, der durch die Wellenenergie in der Kammer 27 eingeleitet wird, nicht beendet ist, bevor der gesättigte Strang 23 in die Düse 35 einläuft. Wie beispielsweise in der gewählten Ausführungsform der Fig. 3 gezeigt, kann der gesättigte Strang 23 kreisrund sein und von der Fertigdüse 35 auf einen kreuzförmigen Querschnitt umgestaltet werden. Mit anderen Worten: die Laufgeschwindigkeit des gesättigten Stranges läßt sich zeitlich der Geschwindigkeit des von der Wellenenergie eingeleiteten Härtevorgangs so anpassen, daß das katalysierte Harz in dem gesättigten Strang in der Kammer 27 nicht vollständig, sondern nur teilweise härtet, halbweich in die Fertigdüse 35 einläuft, dort umgeformt und weiterhin auf genau die Gestalt und Abmessungen gebracht wird, die er im ausgehärteten Zustand aufweist.

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Da weiterhin die Düse 35 eine Stahldüse ist, läuft das gehärtete Material in der abschließenden Stufe des Vorgangs mit der Außenfläche an einer feingehandelten Stahloberfläche vorbei· Da weiterhin der Härtevorgang infolge der exothermen Wirkung über die gesamte Querschnittsfläche des gesättigten Stranges eingeleitet wird, wird der Mittelteil des Stranges etwas wärmer, wodurch die Härtung in der Mitte beginnt und sich nach außen fortsetzt. Unter diesen Umständen dringen die während der Reaktion eventuell entstehenden Gase leicht nach außen und verlassen den gesättigten Strang, was nicht möglich wäre, wenn man den Strang mit extern aufgebrachter Wärme härten würde, die bereits zu Anfang zur Bildung einer Außenhaut führt, die ein Austreten der Gase verhindert.

Es können Umstände vorliegen, unter denen exotherme Reaktionen, die die Induktionserwärmung in der Formdüse einleitet, sich fortsetzen, während der gesättigte Strang in die Düse 35 weiterläuft, und dabei soviel Wärme erzeugen, daß die externen Heizkissen wie beispielsweise die Kissen 53» 54-» 55 und 56 fortfallen können, während man dennoch den Vorteil einer Ifertigdüse aus Stahl oder einem anderen Metall beibehalten kann«

Während die Erfindung hier an einer praktischen und wirksamen Ausführungsform beschrieben und erläutert worden ist, lassen sich an den ausgeführten Einzelheiten innerhalb des Umfangs der Erfindung Änderungen vornehmen. Die Erfindung soll daher nicht auf die ausgeführten Einzelheiten beschränkt sein, sondern ent-

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sprechend dem Umfang der Ansprüche alle gleichwertigen Vorrichtungen umfassen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. Härteformvorricatung zum Härten von Rohmaterial unter Einbringung von Fasern, die mindestens teilweise elektrisch leitend sind, in ein nichtleitendes Karzbindemittel, gekennzeichnet durch einen Rahmen, eine auf dem Rahmen angeordnete Zusammenführdüse, die ein Ende des Laufweges des Rohmaterials bildet, durch Materialvorräte für das Rohmaterial, einschließlich von Fasersträngen aus mindestens teilweise leitendem Material, wärmehärtendem Harz und Härter zur Ausbildung eines kontinuierlichen Stranges, durch eine im Laufweg gelegene Kammer» eine in der Kammer gelegene primäre Heizstation mit einer in der Kammer mit der Bahn ausgerichteten Induktionsspule und durch eine Generatoreinheit, die elektrisch an die Spule angeschlossen ist und die für die Induktionserwärmung geeigneten Frequenzen erzeugt, wobei eine abschließende Härtungsstation eine Fertigdüse mit einem mit der Laufbahn ausgerichtet durch diese hindurch verlaufenden Kanal aufweist, welche Fertigdüse außerhalb des Einflußbereiches der Induktionsheizspule liegt, und eine Zugvorrichtung am Rohmaterial angreift und dieses aus der Fertigdüse heraus bewegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die j Heizspule Stellungen aufweist, in denen die Achsen unter Winkeln von etwa 90° zur Längsachse des Laufweges liegen.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenteile voneinander auf Abstand und auf entgegengesetzten Seiten des Laufweges liegen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige Windungen der Heizspule in Ebenen unter anderen als *9O°-Winkeln zur Längsachse des Laufweges angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizspule mit einigen Windungen rechtwinklig zur Längsachse des Laufweges, einigen Windungen im wesentlichen parallel zur Achse des Laufweges und einigen Windungen in Lagen zwischen der Rechtwinkligkeit und der Parallelität zur Längsachse des Laufweges angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fertigdüse aus Metall mit verhältnismäßig hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und in einer Lage festgelegt ist, in der sie mit dem Laufweg der primären Heizstation ausgerichtet ist.

7- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der 3?ertigdüse um eine extern beheizte Düse handelt.

8. Verfahren zum Härten eines Materials aus einem Paserstrang au$ mindestens teilweise leitendem Material, der mit einem wärmehärtenden Harz aus nichtleitendem Material getränkt ist, unter Einsatz einer Induktionsheizspule, die ein induktives

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Feld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst in einer Zusammenführstufe ein wärmehärtendes flüssiges Kunstharzmaterial mit einem Härter zu einer katalysierten Mischung mischt, eine Masse einzelner leitender Faserelemente zu einem zusammengesetzten Strang zusammenführt, diesen Strang mit der Mischung tränkt und den gesättigten Strang zu einer vorgewählten Querschnittsgestalt und -größe formt, die Spule mit einem elektrischen Strom erregt und den gesättigten Strang durch das induktive Feld laufen läßt, wobei der Strom eine !Frequenz von zwischen etwa 60 und etwa 5 000 OOO Hz aufweist, wodurch die Fasern sich erwärmen und das Härten des gesättigten Stranges eingeleitet wird.

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den gesättigten Strang in eine Fertighärtestufe laufen läßt, dort die Querschnittsgestalt des Stranges in ihre endgültige Form, Größe und Oberflächenbeschaffenheit bringt und den gesättigten Strang während der Fertighärtestufe außerhalb· des Einflusses der Induktionserwärmung hält.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Frequenz des elektrischen Stromes zwischen 1 und I 2000 kHz hält.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fasern regellos anordnet und die Anordnung von Windungen der Spule relativ zu den Achsen der Fasern so einrichtet,

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- daß während mindestens eines !Teils des Durchlaufs durch das induktive Feld alle Fasern mit ihren Achsen mit der Spulenachse ausgerichtet sind. ■

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Spulenwindüngen so anordnet, daß die Achsen einiger Windungen rechtwinklig zueinander und die Achsen anderer Windungen winklig zu den Achsen derjenigen Windungen liegen, deren Achsen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man den Laufweg des Stranges so vorsieht, daß die Strangachse über mindestens einen Teil der Laufstrecke durch das induktive Feld aus einer Ausrichtung mit der Spulenachse in eine Rechtwinkligkeit zur Spulenachse übergeht.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stärke des induktiven Feldes derart einstellt, daß die Temperatur der Fasern etwa 190 °0 (375 ⁰F) nicht übersteigt.

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