DE3048367C1 - Method and device for spreading a fiber strand - Google Patents

Method and device for spreading a fiber strand

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Ernst Ing Kaeppeler
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbreiten eines in fluchtender Linie laufenden Faser­ strangs, der aus parallel nebeneinanderliegenden Einzel­ fasern besteht, wobei ein Maschinenelement mit konvexer Oberfläche in den Faserstrang eindringt und diesen möglichst breit auffächert.The invention relates to a method and a device for spreading a fiber running in alignment strangs, which consists of single juxtaposed parallel fibers consists of a machine element with convex Surface penetrates into the fiber strand and this if possible diversified.

Aus "Kunststoffe" Band 58, 1967, Heft 6, Seiten 447-455 "Probleme beim Tränken und Ziehen von Glasfasersträngen" ist es bekannt, einen Faserstrang vor dem Durchlaufen einer Ziehdüse mittels Walkwalzen aufzuspreizen, damit ein inniges Einwalken des Harzes bewirkt wird. Diese Literaturstelle gibt jedoch keinen Hinweis auf die Vorbereitung eines Faser­ strangs zur Herstellung von Wickelkörpern in Dünnschicht­ technik.From "Kunststoffe" Volume 58, 1967, Issue 6, pages 447-455 "Problems with impregnation and drawing of fiber optic strands" it is known to pass a strand of fiber before going through it Spreading the drawing nozzle by means of flex rollers, so that an intimate Rolling in of the resin is effected. This reference however, gives no indication of the preparation of a fiber strangs for the production of winding bodies in thin layers technology.

Faserwerkstoffe werden zur Herstellung von Faserstrukturen nach der Pre-Preg-Technik oder der Naßtechnik verarbeitet. Fiber materials are used to manufacture fiber structures processed according to the pre-preg technique or the wet technique.  

Bei der Naßtechnik wird ein Faserstrang gleichmäßig in Harz getränkt und auf einen Grundkörper aufgewickelt. Bei dieser Technik sind Strukturdichte und Fasergehalt von der Geometrie des Faserstrangs abhängig. Da ein Faserstrang aus sehr vielen Einzelfasern besteht und der Faserstrang meist ungleichmäßig aus dem sogenannten Fadenauge einer Maschine ausläuft, sind bei bisherigen Wickelmethoden zur Erzielung einer homogenen und stabilen Struktur verhältnismäßig viele Lagen notwendig. Durch die Vielzahl der notwendigen Lagen ergibt sich die Wandstärke der Struktur und damit wird auch die Wirtschaftlichkeit beeinflußt.With wet technology, a fiber strand is evenly in Resin soaked and wound on a base. At With this technique the structure density and fiber content of the Depending on the geometry of the fiber strand. Because a strand of fiber very many individual fibers and mostly the fiber strand unevenly from the so-called thread eye of a machine expires, can be achieved with previous winding methods a homogeneous and stable structure Layers necessary. Due to the large number of layers required the wall thickness of the structure results and with that also affects the economy.

Insbesondere bei Kohlenstoffaserstrukturen, bei denen der Faserpreis hoch ist, ist es daher notwendig, Herstellungs­ methoden zu entwickeln, die bei optimal geringem Faserein­ satz höchste Qualität erbringen, um wirtschaftlich Faser­ wickelkörper zu produzieren.Particularly in the case of carbon fiber structures in which the Fiber price is high, it is therefore necessary to manufacture to develop methods with optimally low fiber provide the highest quality to economically fiber to produce bobbins.

Die Dünnschichttechnik ist eine solche Methode. Dabei wird die Struktur aus dünnen Faserschichten mit hohem Faseranteil sehr homogen aufgebaut und dadurch bereits bei geringeren Wandstärken als bei herkömmlichen Wickelverfahren die ge­ wünschte Stabilität erreicht.Thin film technology is one such method. Doing so the structure of thin fiber layers with a high fiber content constructed very homogeneously and therefore even with smaller ones Wall thicknesses than in conventional winding processes desired stability achieved.

Der Gegenstand der Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Herstellung von Kohlenstoffaser-Rohren für die Anwendung in Gasultrazentrifugen. Die weiter unten beschriebene Technik kann jedoch grundsätzlich auch für Elektromotoren, Genera­ toren oder andere schnellaufende Maschinen verwendet werden, wo rotationssymmetrische Faserwickelkörper mit geringer Unwuchtverteilung und hoher Strukturfestigkeit benötigt werden.The object of the invention is particularly concerned with the manufacture of carbon fiber tubes for use in gas ultracentrifuges. The technique described below  can also be used for electric motors, genera gates or other high-speed machines are used, where rotationally symmetrical fiber packages with low Imbalance distribution and high structural strength required will.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kohlenstoff-Faserstrang nach dem Durchlaufen des Tränkbades in größerer Bandbreite mit schichtkonstanter Dicke flach auszubreiten.The object of the invention is a carbon fiber strand after passing through the drinking bath in a wider range Spread flat with constant thickness.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein durchtränkter Kohlenstoff-Faserstrang durch Eindringen eines in Faserlängs- und Faserquerrichtung konvexen Ma­ schinenelements ausgebreitet wird. Das Maschinenelement kann eine Kugel oder eine Kugelkappe sein.This object is achieved in that a saturated carbon fiber strand by penetration of a convex in the longitudinal and transverse fiber directions machine element is spread. The machine element can be a sphere or a spherical cap.

Der Faserstrang wird durch eine geeignete Anordnung von Führungsrolle und einer nachfolgenden Kugeloberfläche auf die gewünschte Bandbreite gebracht und mit Hilfe einer federnd angeordneten Ablagerolle mit einstellbarer Anlege­ kraft auf der Wickeldornoberfläche abgelegt. Durch diese Maßnahme bleibt die von der Kugel erreichte Bandbreite während und nach der Ablage erhalten, wodurch sehr dünne Schichten mit hohem Fasergehalt sowie eine gleichmäßige Durchtränkung des Faserstrangs weitgehend unabhängig von der Wickelgeschwindigkeit und Zugspannung des Faserstrangs erreicht werden.The fiber strand is arranged by a suitable arrangement of Guide roller and a subsequent ball surface brought the desired bandwidth and with the help of a spring-loaded storage roll with adjustable feed deposited on the surface of the mandrel. Through this Measure remains the bandwidth reached by the ball preserved during and after filing, making it very thin Layers with high fiber content as well as an even one Impregnation of the fiber strand largely independent of the winding speed and tension of the fiber strand can be achieved.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. The invention is illustrated below with the aid of an embodiment explained in more detail.  

Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Ablageeinrichtung zur Herstellung dünnwandiger, rotationssymmetrischer Faserwickelkörper aus durchtränkten Kohlenstoffasern.The only figure shows a cross section through an invented Storage device according to the invention for producing thin-walled, rotationally symmetrical fiber winding body made of impregnated Carbon fibers.

In einem Gehäuse, von dem in der Querschnittsansicht von Fig. 1 nur eine Wand 2 zu sehen ist, sind eine Fadeneinlaufrolle 4, eine Zwischenrolle 6, einer weiteren Zwischenrolle 8, eine Führungsrolle 10, eine einstellbare Zustellung 11 sowie eine Fadenauslaufrolle 12 gelagert bzw. befestigt. Das Gehäuse mit den erwähnten Bauteilen ist um eine Achse A-A schwenkbar, die von einem Bolzen 14 gebildet wird, der mittels Kugellager 16 das Gehäuse lagert. Mittels einer Schraube 18, die auf den Bolzen 14 einwirkt, kann die Schwenklage des Gehäuses einge­ stellt und fixiert werden. Die einstellbare Zustellung 11 trägt an ihrem vorderen Ende eine Kugel 20 (oder eine Kugel­ kappe), die mittels eines Gewindebolzens 22 mehr oder weniger vorgeschoben werden kann. Die Besonderheiten der Vorrichtung liegen nun in den nachfolgend erläuterten konstruktiven Einzel­ heiten, die mittels des Fadenverlaufs erläutert werden. In a housing, of which only a wall 2 can be seen in the cross-sectional view of FIG. 1, a thread inlet roller 4 , an intermediate roller 6 , a further intermediate roller 8 , a guide roller 10 , an adjustable feed 11 and a thread outlet roller 12 are mounted or attached. The housing with the components mentioned is pivotable about an axis AA , which is formed by a bolt 14 which supports the housing by means of ball bearings 16 . By means of a screw 18 , which acts on the bolt 14 , the pivot position of the housing can be adjusted and fixed. The adjustable feed 11 carries at its front end a ball 20 (or a ball cap), which can be advanced more or less by means of a threaded bolt 22 . The peculiarities of the device are now in the structural details explained below, which are explained by means of the thread course.

Der Faden (Fadenstrang) ist mit Bezugszeichen 24 versehen. Er tritt über die Fadeneinlaufrolle 4 in das Gehäuse ein, wird über Rolle 6 geführt, gelangt zur Rolle 8 und von dort zur Führungsrolle 10 und über Kugel 20 zur Fadenablagerolle 12 und wird von dieser Rolle einem Wickelkörper 26 übergeben. Fadeneinlaufpunkt 28 und Fadenauslaufpunkt 30, der mit dem Ablagepunkt übereinstimmt, liegen auf der Schwenkachse A-A der Vorrichtung.The thread (thread strand) is provided with reference numeral 24 . It enters the housing via the thread feed roller 4 , is guided via roller 6 , reaches roller 8 and from there to guide roller 10 and via ball 20 to thread deposit roller 12 and is transferred from this roller to a winding body 26 . Thread entry point 28 and thread exit point 30 , which coincides with the deposit point, lie on the pivot axis AA of the device.

Dadurch wird der Faserstrang 24 bei allen Wickelaufgaben über den stets gleichen Punkt 30 dem Wickeldorn 26 zugeführt. Dies entspricht einem Fadenauge mit Durchmesser O. Durch die Anord­ nung wird erreicht, daß der Faserstrang auch bei kleinem Ab­ lagewinkel, in der der Ablageeinrichtung vorgeschalteten Strecke, und nicht in der Ablageeinrichtung gedreht wird.As a result, the fiber strand 24 is fed to the winding mandrel 26 in all winding tasks via the always the same point 30 . This corresponds to a thread eye with diameter O. The arrangement ensures that the fiber strand is rotated even at a small angle, in the upstream section of the storage device, and not in the storage device.

Die Ausbreitung des Fadens erfolgt durch die Kombination Führungsrolle 10, Kugel 20 und Fadenablagerolle 12, wobei die Größe der Ausbreitung durch die Eindringtiefe der Kugel­ oberfläche 20 in den Fadenverlauf bewirkt wird. Fadenspannungs­ variationen haben keinen Einfluß auf die Funktion dieser Ein­ richtung.The thread spreads through the combination of guide roller 10 , ball 20 and thread depositing roller 12 , the size of the spread being caused by the depth of penetration of the ball surface 20 into the thread course. Thread tension variations have no influence on the function of this device.

Durch die direkt auf dem Wickeldorn 26 aufliegende Ablage­ rolle 12 wird die erzielte Breite des Faserstrangs 24 erhalten.By the roll 12 lying directly on the mandrel 26 , the width of the fiber strand 24 obtained is obtained.

Die Anpreßkraft der Vorrichtung ist einstellbar und ermöglicht das Glätten und Ausgleichen der Oberfläche sowie das Auswalzen des Harzüberschusses und erlaubt dadurch das Herstellen von Wickelprodukten mit mehr als 70 Vol.-% Fasergehalt bei opti­ maler Durchtränkung und gleicht Schwankungen im Harzgehalt des zugeführten Faserstrangs weitgehend aus. Einzelheiten der Schwenk- und Anpreßmechanik sind nicht gezeigt.The contact pressure of the device is adjustable and enables smoothing and leveling the surface and rolling out  of the excess resin and thereby allows the production of Winding products with more than 70 vol.% Fiber content at opti painterly impregnation and equalizes fluctuations in resin content of the supplied fiber strand largely. Details of the Swiveling and pressing mechanisms are not shown.

Die Ablageeinrichtung gestattet das Ablegen des Fadens mit der stets gleichen Ablagequalität bei Wickelwinkeln zwischen +0°/90°/-0°.The storage device also allows the thread to be deposited the same filing quality at winding angles between + 0 ° / 90 ° / -0 °.

Die Anpassung der Ablageeinrichtung an den jeweiligen Wickel­ winkel kann über eine bekannte Bandwendersteuerung erfolgen.The adaptation of the storage device to the respective winding angle can be done via a known belt turner control.

Claims (3)

1. Verfahren zum Ausbreiten eines in fluchtender Linie laufenden Faserstrangs, der aus parallel nebeneinander­ liegenden Kohlefasern besteht, wobei ein Maschinenele­ ment mit konvexer Oberfläche in den Faserstrang ein­ dringt und diesen auffächert, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchtränkter Kohlenstoff-Faserstrang durch Eindringen eines in Faserlängs- und in Faserquerrichtung konvexen Maschinenelements ausgebreitet wird.1. A method for spreading an aligned fiber strand, which consists of parallel adjacent carbon fibers, a machine element with a convex surface penetrates into the fiber strand and fanned it out, characterized in that a saturated carbon fiber strand by penetration of a fiber length - And is spread in the fiber transverse convex machine element. 2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenelement mit konvexer Oberfläche eine Kugel bzw. Kugelkappe ist.2. Device for performing the method according to claim 1, characterized in that the machine element with convex surface is a ball or ball cap. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe der Kugel bzw. Kugelkappe veränderbar ist.3. Device according to claim 2, characterized in that the penetration depth of the ball or ball cap can be changed is.
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