EP3044148B1

EP3044148B1 - Vorrichtung zur verdrillfreien breitenänderung eines die vorrichtung durchlaufenden faserbandes sowie system mit mehreren derartigen vorrichtungen

Info

Publication number: EP3044148B1
Application number: EP14756027.0A
Authority: EP
Inventors: Herbert Börger
Original assignee: Covestro Thermoplast Composite GmbH
Current assignee: Covestro Thermoplast Composite GmbH
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: ES2705327T3; US10040663B2; EP3044148A1; CN105636889A; CN105636889B; WO2015036220A1; DE102013218102A1; US20160221789A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur verdrillfreien Breitenänderung eines die Vorrichtung durchlaufenden Faserbandes. Ferner betrifft die Erfindung ein System aus mehreren derartigen Vorrichtungen und ein Verfahren zur verdrillfreien Breitenänderung eines Faserbandes unter Nutzung der erfindunggemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Systems.
Die Verarbeitung von Faserbändern, insbesondere aus Endlosfasern, ist in verschiedenster Gestaltung vorbekannt. Beispiele hierfür geben die DE-PS 715801 A , die EP 0 393 420 A , die EP 0 415 517 B1 , die DE 198 53 192 A1 , die US 2002/0123819 A1 , die US 2003/0172506 A1 , die WO 98/44183 A , die WO 2005/087996 A , die DE 10 2005 052 660 B3 , die DE 10 2006 047 184 A1 , die DE 10 2005 008 705 B3 , die DE 10 2008 061 314 A1 , die DE 10 2009 056 197 A1 und die DE 10 2009 056 189 A1 .
Die US 2004/0043213 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Breitenänderung eines die Vorrichtung durchlaufenden Faserbandes, wobei die Breitenänderungseinrichtung eine erste teilkreisförmige Führungskontur mit einem ersten Konturradius, die in einer Anordnungsebene senkrecht zu einer Transportrichtung des Faserbandes liegt, und eine zweite teilkreisförmige Führungskontur mit einem zweiten Konturradius, die in einer weiteren Anordnungsebene senkrecht zur Transportrichtung des Faserbandes liegt, aufweist, wobei das Faserband so über die beiden Führungskonturen geführt ist, dass die Einzelfasern an beiden Führungskonturen anliegen, wobei die beiden Führungskonturen ohne zwischenliegende Führungskomponenten direkt aufeinander folgen.
Trotz der vielen verschiedenen Ansätze zur Bearbeitung von Faserbändern insbesondere aus Endlosfasern besteht immer noch Bedarf an einer betriebssicheren und möglichst wenig aufwendigen Vorrichtung zur verdrillfreien Breitenänderung eines die Vorrichtung durchlaufenden Faserbandes aus Endlosfasern auf eine vorgegebene Nutzbreite.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur verdrillfreien Breitenänderung eines die Vorrichtung durchlaufenden Faserbandes aus Endlosfasern auf eine vorgegebene Nutzbreite (B),

mit einer Transporteinrichtung zum Transport des Faserbandes,
mit mindestens einer Breitenänderungseinrichtung,

eine erste teilkreisförmige Führungskontur mit einem ersten Konturradius, die in einer Anordnungsebene (yz) senkrecht zu einer Transportrichtung (x) des Faserbandes liegt,
eine zweite teilkreisförmige Führungskontur mit einem zweiten Konturradius, die in einer weiteren Anordnungsebene (yz) senkrecht zur Transportrichtung (x) des Faserbandes liegt,
dadurch gekennzeichnet, dass die beiden teilkreisförmigen Führungskonturen koaxial angeordnet sind, wobei die Rotationssymmetrieachse beider Führungskonturen zusammenfällt, und die Kreisumfänge der teilkreisförmigen Führungskonturen senkrecht zur Transportrichtung (x) des Faserbandes liegen, und
wobei das Faserband so über die beiden Führungskonturen geführt ist, dass die Einzelfasern an beiden Führungskonturen anliegen, wobei die beiden Führungskonturen ohne zwischenliegende Führungskomponenten direkt aufeinander folgen.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es bei der verdrillbaren Breitenänderung eines Faserbandes auf eine vorgegebene Nutzbreite darauf ankommt, die Faserabstände zwischen benachbarten Fasern gleichmäßig zu verändern, sodass die Abstände zwischen benachbarten Einzelfasern innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs übereinstimmen. Dies führt zu einer guten Verarbeitbarkeit des breitengeänderten Faserbandes, da dann über die gesamte Breite des Faserbandes gleichförmige, definierte Gelege-Bedingungen vorliegen. Das Faserband, das die Vorrichtung durchlaufen hat, stellt ein unidirektionales Flächengebilde mit definiertem und gleichmäßig ausgebildetem Flächengewicht dar. Bei dem Faserband kann es sich um ein Garn oder um ein Roving handeln. Das so bearbeitete Faserband kann einer weiteren Bearbeitung zur Herstellung beispielsweise eines Prepregs oder eines Tapes, insbesondere einer Imprägnierung mit einer Kunststoffmatrix, unterzogen werden. Alternativ ist es möglich, das so bearbeitete Faserband zunächst z. B. trocken aufzuwickeln und vor einer weiteren Bearbeitung zwischenzulagern. Bei einer weiteren Bearbeitungsvariante kann die verdrillfreie Breitenänderung des die Vorrichtung durchlaufenden Faserbandes aus Endlosfasern auf eine vorgegebene Nutzbreite mit einem bereits imprägnierten Faserband geschehen, also nicht im "trockenen" Zustand, sondern im "nassen" Zustand des Faserbandes. Als Imprägnier-Polymer kann ein Thermoplast zum Einsatz kommen. Beispiele hierfür sind PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), andere Polyolefine sowie Blends dieser Polyolefine, SAN (Styrol/Acrylnitril), PA (Polyamid), zum Beispiel PA 6, PA 6.6, PA 6.6T, PA 12, PA 6.10, ASA (Acrylnitril/Styrol/Acrylester), PC (Polycarbonat), PBT (Polybutylenterephthalat), PET (Polyethylentrephthalat), PPS (Polyphenylensulfid), PSU (Polysulfon), PES (Polyethersulfon), PEEK (Polyetheretherketon) oder Polymerblends, zum Beispiel PC/PBT. Als Imprägnier-Polymer kann auch ein Duroplast zum Einsatz kommen, welches als Schmelze im B-Stadium (Resitol) aufgetragen werden kann.
Erfindungsgemäß stimmen dabei alle Paare benachbarter Fasern hinsichtlich des Verhältnisses zwischen dem Ziel-Abstand und dem Anfangs-Abstand innerhalb des Toleranzbereichs von 20 % überein. Die Übereinstimmung kann bevorzugt innerhalb eines Toleranzbereichs von 15 %, innerhalb eines Toleranzbereichs von 10 % oder auch innerhalb eines noch geringeren Toleranzbereichs vorliegen.
Der Einsatz mindestens einer weiteren Breitenänderungseinrichtung nach Anspruch 2 ermöglicht es beispielsweise, das Faserband mit der ersten Breitenänderungseinrichtung zunächst aufzuspreizen und anschließend mit der weiteren Breitenänderungseinrichtung wieder zusammenzuführen. Im aufgespreizten Zustand sind die einzelnen Faserbänder dann stärker voneinander getrennt, was genutzt werden kann, um Verklebungen zwischen den Einzelfasern zu lösen. Dieses Lösen von Verklebungen ist besonders für einen nachfolgenden Imprägnierschritt von besonderem Vorteil. Auch eine Ausgestaltung, bei der das Faserband zunächst aufgespreizt und anschließend wieder zusammengeführt wird, kann bei der Verarbeitung eines bereits imprägnierten, also "nassen" Faserbandes von Vorteil sein. Soweit mehr als eine Breitenänderungseinrichtung bei der Vorrichtung zum Einsatz kommt, können auch beide Breitenänderungseinrichtungen das Faserband stufenweise aufspreizen oder stufenweise zusammenführen. Hierdurch können sehr große Spreiz- oder Zusammenführ-Verhältnisse erreicht werden. Es können auch mehr als zwei Breitenänderungseinrichtungen bei der Vorrichtung zum Einsatz kommen, beispielsweise drei oder eine noch größere Anzahl von Breitenänderungseinrichtungen.
Ein Rand-Anschlag nach Anspruch 3 führt zu einer besonders betriebssicheren Breitenänderungsvorrichtung. Der Rand-Anschlag kann so gewählt werden, dass das Faserband über seine gesamte Breite eine konstante Faserdichte aufweist. Die Faserdichte des Faserbandes nimmt dann im Randbereich nicht ab, wie dies bei konventionell hergestellten Faserbändern der Fall ist. Bei der Herstellung von Gesamt-Faserbändern durch Nebeneinanderlegen mehrerer Einzel-Faserbänder ist dann kein Überlapp der Einzel-Faserbänder im Randbereich mehr erforderlich, was die Qualität des hergestellten Gesamt-Faserbandes erhöht. Das mit der Vorrichtung hergestellte Faserband hat ein rechteckiges Profil, das sich nahtlos an ein benachbartes Faserband ansetzen lässt.
Teil-Umfangsnutzungen nach den Ansprüchen 4 und 5 haben sich in der Praxis bewährt. Alternativ kann die jeweilige Führungskontur auch so gestaltet sein, dass diese einen Konturabschnitt aufweist, der dem TeilUmfang eines entsprechend vollständigen Kreis-Konturkörpers entspricht. Die Führungskonturen können also als Vollkreise ausgeführt sein, von denen lediglich ein Teilkreis genutzt wird, oder als Teilkreise.
Eine Verlagerbarkeit obenliegender Komponenten nach Anspruch 7 erleichtert eine Einführung des Faserbandes bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung und auch eine Zugänglichkeit des Faserbandes bei einer Wartung der Vorrichtung. Bei der Verlagerbarkeit kann es sich insbesondere um eine Klappbarkeit der obenliegenden Komponente handeln. Die jeweiligen obenliegenden Komponenten können zum Klappen über entsprechende Gelenkverbindungen verfügen.
Eine Heizeinrichtung nach Anspruch 7 kann zusätzlich zum Unterstützen des Auflösens einer Verklebung von Einzelfasern herangezogen werden. Soweit mit der Breitenänderungsvorrichtung ein bereits imprägniertes, also "nasses" Faserband verarbeitet wird, kann die Heizeinrichtung dazu genutzt werden, eine vorgegebene Fließfähigkeit der zur Imprägnierung herangezogenen Polymermatrix zu gewährleisten. Auch andere Bearbeitungsschritte können über das Heizen vorbereitet werden.
Die Vorteile eines Systems nach Anspruch 8 entsprechen denen, die vorstehend im Zusammenhang mit der Diskussion der erfindungsgemäßen Breitenänderungsvorrichtung bereits erläutert wurden. Das System kann mehrere gleichartig aufgebaute Breitenänderungseinrichtungen nach Art der vorstehend beschriebenen Breitenänderungseinrichtungen aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind. Es lassen sich breite Gesamt-Faserbänder mit innerhalb enger Toleranzen gleichmäßigem Flächengewicht herstellen.
Verschiedene Arbeitsebenen nach Anspruch 9 erlauben eine Führung der Faserbänder mit vorteilhaft wenigen Komponenten sowie eine kompakte Gestaltung einer das System enthaltenden Gesamt-Bearbeitungsanlage.
Anspruch 10 ist auf ein Verfahren zur verdrillfreien Breitenänderung eines Faserbandes unter Nutzung der erfindunggemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Systems gerichtet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1: perspektivisch eine Vorrichtung zur verdrillfreien Breitenänderung, nämlich zum Spreizen eines durchlaufenden Faserbandes aus Endlosfasern auf eine vorgegebene Nutzbreite;
Fig. 2: einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Breitenänderungsvorrichtung zum Zusammenführen von Endlosfasern eines Faserbandes;
Fig. 3: in einer zu Fig. 1 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausführung einer Breitenänderungsvorrichtung zum Spreizen eines durchlaufenden Faserbandes, wobei zwischenzeitlich das Faserband stärker aufgespreizt wird als nach dem kompletten Durchlauf durch die Breitenänderungsvorrichtung; und
Fig. 4: ein System aus mehreren nebeneinander angeordneten Breitenänderungsvorrichtungen nach Art derjenigen nach Fig. 1 zur Erzeugung eines zusammengesetzten Gesamt-Faserbandes aus mehreren nebeneinander angeordneten Faserbändern, die über die Breitenänderungsvorrichtungen des Systems nach Fig. 4 nebeneinander aufgespreizt werden.

Eine Breitenänderungsvorrichtung 1 dient zur verdrillfreien Breitenänderung eines die Vorrichtung durchlaufenden Faserbandes 2 aus Endlosfasern 3 auf eine vorgegebene Nutzbreite B. Das Faserband 2 läuft in die Vorrichtung 1 mit einer Anfangsbreite A ein. Der Vorrichtung 1 zugeführt wird das Faserband 2 mit Hilfe einer in der Fig. 1 äußerst schematisch dargestellten Transporteinrichtung 4, bei der es sich beispielsweise um ein Paar gegenläufig rotierender Transportbänder und/oder Transportwalzen handeln kann.
Die Vorrichtung 1 hat eine Breitenänderungseinrichtung 5. Diese ist so ausgeführt, dass sie einen Anfangsabstand a zweier benachbarter Fasern 3 des Faserbandes 2 in einen Zielabstand b benachbarter Fasern 3 des Faserbandes 2 überführt. Das Verhältnis b/a zwischen dem Ziel-Abstand b und dem Anfangs-Abstand a stimmt für alle Paare benachbarter Fasern 3 des Faserbandes 2 innerhalb eines Toleranzbereichs von 20 % überein.
Bei dem Faserband 2 kann es sich um ein Garn oder um ein Roving handeln. Als Fasermaterial für das Faserband 2 kann Glasfaser, Kohlefaser, Aramit, Basalt, Quarzfaser, Borfaser, Synthesefaser, Polyester oder Naturfaser zum Einsatz kommen. Auch andere Fasermaterialien können zum Einsatz kommen, soweit nicht verdrehte, parallele Fasern vorliegen. Die Anzahl der einzelnen Endlosfasern 3 des Faserbands 2 ist in der Zeichnung stark untertrieben dargestellt. Tatsächlich können mehrere tausend Einzelfasern 3 im Faserband 2 vorliegen, beispielsweise mehrere zehntausend, zum Beispiel 50.000, Einzelfasern 3. Soweit Faserbänder mit Glasfasern zum Einsatz kommen, können diese beispielsweise 1.000 bis 10.000 Einzelfasern, zum Beispiel 2.400 oder 4.800 Einzelfasern aufweisen. Bei dem in der Vorrichtung 1 zu bearbeitenden Faserband 2 kann es sich um ein trockenes, also noch nicht imprägniertes Faserband oder alternativ um ein nasses, also bereits in einem Vorbereitungsschritt imprägniertes Faserband handeln.
Die Breitenänderungseinrichtung 5 umfasst eine erste teilkreisförmige Führungskontur 6 mit einem ersten Konturradius R₁. Die erste Führungskontur 6 liegt in einer Anordnungsebene yz senkrecht zu einer Transportrichtung x des Faserbands 2. Die Koordinaten x, y, z spannen ein kartesisches Koordinatensystem in der Fig. 1 auf.
Zur Breitenänderungseinrichtung 5 gehört weiterhin eine zweite teilkreisförmige Führungskontur 7 mit einem zweiten Konturradius R₂, die in einer weiteren Anordnungsebene yz senkrecht zur Transportrichtung x des Faserbandes 2 liegt.
Die erste Führungskontur 6 ist als kreisrunde Durchtrittsöffnung in einem Führungskörper 8 ausgeführt, der geklemmt zwischen zwei Montageklötzen 9 auf einer Grundplatte 10 der Breitenänderungsvorrichtung 1 montiert ist. Genutzt wird die insgesamt kreisrund ausgeführte erste Führungskontur 6 lediglich in einem in der Fig. 1 oben dargestellten Teilkreisabschnitt in einem etwa 60° überdeckenden inneren Umfangsbereich. Die erste Führungskontur 6 ist also auf einem Teil-Innenumfang genutzt.
Die zweite Führungskontur 7 ist als Außenumfang einer kreisrunden Führungsscheibe ausgebildet, der ebenfalls in einem oberen Teilkreisabschnitt über einen Umfangswinkel von etwa 60° genutzt wird. Die Führungskontur 7 ist also auf einem Teil-Außenumfang genutzt. Die Führungsscheibe 7 hat einen axialen Positionierungsstift 11, der koaxial zu einer Rotationssymmetrieachse der Führungsscheibe 7 verläuft und nach beiden Seiten über eine Scheibenebene der Führungsscheibe 7 übersteht. Diese überstehenden Enden des Positionierungsstifts 11 gehen in hierzu komplementären Ausnehmungen von Montageklötzen 12, zwischen denen Führungsscheibe 7 geklemmt ist. Die Montageklötze 12 sind wiederum an der Grundplatte 10 montiert.
Die beiden Führungskonturen 6, 7 sind koaxial zueinander angeordnet, wobei die Rotationssymmetrieachse beider Führungskonturen 6, 7 zusammenfällt und parallel zur x-Achse, also parallel zur Transportrichtung des Faserbandes 2 vor der Breitenänderungseinrichtung 5, verläuft.
Das Faserband 2 ist so über die beiden Führungskonturen 6, 7 geführt, dass die Einzelfasern 3 an beiden Führungskonturen 6, 7 anliegen. Beiden Führungskonturen 6, 7 folgen im Förderweg der Fasern 3 ohne zwischenliegende Führungskomponenten für die Fasern 3 direkt aufeinander.
Nach dem Zusammenführen kann das Faserband 2 beispielsweise eine Breite B von 10 mm bis 15 mm haben. Eine solche Breite, beispielsweise im Bereich zwischen 12 mm und 13 mm, eignet sich besonders zum Aufwickeln des Faserbandes 2 auf übliche Kreuzwickelspulen.
Es lässt sich zeigen, dass das Verhältnis b/a und damit auch das Verhältnis B/A dem Verhältnis R₂/R₁ entspricht. Die Breitenänderungsvorrichtung 1 nach Fig. 1 dient zum Aufspreizen des Faserbands 2. Bei der zum Spreizen eingesetzten Breitenänderungsvorrichtung 1 gilt also A < B und a < b.
Im Führungsweg des Faserbandes 2 vor der ersten Führungskontur 6 läuft das Faserband 2 über eine untenliegende Einlauf-Führungsstange 13 zur Vorgabe einer Einlauf-Transportebene parallel zur xy-Ebene. Die Einlauf-Führungsstange 13 ist zwischen zwei Montagewangen 14 festgelegt, die ihrerseits an der Grundplatte 10 montiert sind.
Im Transportweg nach der zweiten Führungskontur 7 läuft das aufgespreizte Faserband 2 unter einer Auslauf-Führungsstange 15 hindurch, über die eine definierte Auslaufebene für das aufgespreizte Faserband 2 vorgegeben wird, die wiederum parallel zur xy-Richtung verläuft. Die Auslauf-Förderstange 15 ist wiederum zwischen zwei Montagewangen 16 festgelegt, die ihrerseits in der Grundplatte 10 montiert sind. Die Montagewangen 16 können gleichzeitig als Rand-Anschläge zur definierten Führung seitlicher Ränder des auslaufenden Faserbandes 2 dienen.
Die Führungsstangen 13, 15 verlaufen parallel zur y-Richtung.
Soweit das Faserband 2 zwischen obenliegenden und untenliegenden Komponenten geführt ist, können die jeweils obenliegenden Komponenten zwischen einer Betriebsstellung und einer Freigabestellung verlagert werden. Bei der Breitenänderungsvorrichtung 1 handelt es sich bei den diesbezüglichen obenliegenden Komponenten einerseits um den genutzten Umfangsabschnitt der ersten Führungskontur 6 und andererseits um die obenliegende Auslauf-Führungsstange 15. Die zugehörigen Tragkörper dieser Komponenten können in einer Trennebene 17 geteilt sein, wie in der Fig. 1 im Bereich des Führungskörpers 8 einerseits und der Montagewangen 16 andererseits gestrichelt angedeutet. Über eine derartige Trennung und eine entsprechend ausgeführte Gelenkverbindung können einerseits der Führungskörper 8 und anderseits die Führungsstange 15 der in der Fig. 1 gezeigten Betriebsstellung und einer Freigabestellung verschwenkt werden, wobei das Faserband 2 in der Freigabestellung der beiden obenliegenden Komponenten 8 und 15 jeweils von oben her zugänglich ist, was zum Einrichten der Breitenänderungsvorrichtung 1 oder auch zu Montage- und Justagezwecken genutzt werden kann.
Eine Einlauf-Arbeitsebene im Förderweg des Faserbands 2 vor der Führungsstange 13 und eine Auslauf-Förderebene des Faserbands 2 im Förderweg nach der Auslauf-Förderstange 15 können zusammenfallen. Alternativ können diese beiden Arbeitsebenen auch beabstandet zueinander sein, sodass das Faserband 2 in unterschiedlichen Abschnitten seines Förderwegs im Bereich der Breitenänderungsvorrichtung 1 auf verschiedenen Arbeitsebenen transportiert wird.
Anhand der Fig. 2 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer Breitenänderungsvorrichtung 18 erläutert. Komponenten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Ausführung nach Fig. 1 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Breitenänderungsvorrichtung 18 dient zum Zusammenführen eines einlaufenden Faserbandes 2. Hier gilt also: A > B und a > b.
Bei der Breitenänderungsvorrichtung 18 ist die Einlauf-Führungsstange 13 in Bezug auf Faserband 2 obenliegend und die Auslauf-Förderstange 15 ist in Bezug auf das Faserband 2 untenliegend ausgeführt. Die erste teilkreisförmige Führungskontur 6 ist als Führungsscheibe nach Art der Führungsscheibe 7 der Ausführung nach Fig. 1 ausgeführt. Die erste Führungskontur 6 hat bei der Breitenänderungsvorrichtung 18 wiederum einen ersten Konturradius R₂.
Die zweite teilkreisförmige Führungskontur 7 ist bei der Breitenänderungsvorrichtung 18 als Durchtrittsöffnung mit innerem Konturradius R₃ entsprechend der Führungskontur 6 der Breitenänderungsvorrichtung 1 ausgeführt.
Ein Konturradius R₃ der zweiten Führungskontur 7 der Breitenänderungsvorrichtung 18 ist größer als der Konturradius R₁ der ersten Führungskontur 6 der Breitenänderungsvorrichtung 1 nach Fig. 1.
Der Konturradius R₂ der ersten Führungskontur 6 nach Fig. 2 ist genauso groß wie der Konturradius R₂ der Führungskontur 7 nach Fig. 1.
Es gilt auch hier entsprechend B/A = b/a = R₃/R₂.
Es gilt weiterhin R₃/R₂ > R₁/R₂.
Abgesehen vom unterschiedlichen Verhältnis R₃/R₂ im Vergleich zu R₁/R₂ kann die Breitenänderungsvorrichtung 18 als Umkehrung der Breitenänderungsvorrichtung 1 verstanden werden. Es ist also ohne Weiteres möglich, die Breitenänderungsvorrichtung 1 als Zusammenführvorrichtung zu verwenden, in dem die Transportrichtung +x des Faserbandes 2 durch die Breitenänderungsvorrichtung 1 einfach umgekehrt (-x) wird. Die Faserstange 15 wird dann zur Einlauf-Faserstange. Die Führungskontur 7 wird dann zur ersten Führungskontur. Die Führungskontur 6 wird dann zur zweiten Führungskontur. Die Führungsstange 13 wird dann zur Auslauf-Führungsstange. Ganz entsprechend kann auch Breitenänderungsvorrichtung 18 durch Umkehr der Transportrichtung für das Faserband 2 zum Spreizen des Faserbandes 2 genutzt werden. Die Auslauf-Führungsstange 15 wird dann zur Einlauf-Führungsstange. Die Führungskontur 7 wird dann zur ersten Führungskontur. Die Führungskontur 6 wird dann zur zweiten Führungskontur und die Führungsstange 13 wird dann zur Auslauf-Führungsstange.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung einer Breitenänderungsvorrichtung 19. Komponenten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Ausführung nach Fig. 1 und 2 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
Die Breitenänderungsvorrichtung 19 stellt eine Hintereinanderschaltung der Breitenänderungsvorrichtungen 1 und 18 dar. Eine Auslauf-Führungsstange 20 der Breitenänderungsvorrichtung 1 ist dabei gleichzeitig die Einlauf-Führungsstange für die nachfolgende Breitenänderungseinrichtung 5 entsprechend der Breitenänderungsvorrichtung 18. Diese Führungsstange wird nachfolgend auch als Zwischen-Führungsstange 20 bezeichnet. Das einlaufende Faserband 2 wird in der Breitenänderungsvorrichtung 19 zunächst im Verhältnis R₂/R₁ aufgespreizt und dann im Verhältnis R₂/R₃ zusammengeführt. Daraus resultiert eine Netto-Aufspreizung im Verhältnis R₃/R₂.
Im Bereich der Zwischen-Führungsstange 20 liegt das Faserband 2 also noch stärker aufgespreizt vor als im Bereich der Auslauf-Führungsstange 15 nach der zweiten Breitenänderungseinrichtung 5 nach Art der Breitenänderungsvorrichtung 18. Diese stärkste Aufspreizung des Faserbandes 2 im Bereich der Zwischen-Führungsstange 20 kann beispielsweise für eine Zwischenbehandlung der Fasern 3 des Faserbandes 2 genutzt werden.
Dieses Aufspreizen auf eine zunächst größere Breite kann auch genutzt werden, um eine Verklebung der einlaufenden Einzelfasern 3 zu lösen, also um das einlaufende Faserband zu öffnen. Eine definierte nachfolgende Imprägnierung des auslaufenden Faserbands kann dann gewährleistet werden, wobei ein Imprägniermaterial Zugang zu allen Einzelfasern erhält.
Fig. 4 zeigt ein Faserband-Zusammenführsystem 21. Dieses hat eine Mehrzahl von Breitenänderungsvorrichtungen zum Aufspreizen einzelner Faserbänder 2 nach Art der Breitenänderungsvorrichtung 1, die nebeneinander, also in der y-Richtung zueinander versetzt, angeordnet sind. Das System 21 dient zur Erzeugung eines zusammengesetzten Gesamt-Faserbandes 22 aus den aufgespreizten, nebeneinander angeordneten Einzel-Faserbändern 2.
Eine erste Gesamt-Führungskontur 23 des Systems 21 ist gebildet aus einer entsprechenden Mehrzahl nebeneinander liegender erster teilkreisförmiger innerer Führungskonturen 6 nach Art der Breitenänderungsvorrichtung 1. Dargestellt ist in der Fig. 4 lediglich ein genutzter oberer und innerer Umfangsabschnitt der nebeneinander liegenden Führungskonturen 6. Eine zweite Gesamt-Führungskontur 24 des Systems 1 ist aus einer Mehrzahl von teilkreisförmigen Außenumfangs-Führungskonturen gebildet, die wiederum in entsprechender Mehrzahl nebeneinander angeordnet liegen. Im Unterschied beispielsweise zur zweiten Führungskontur 7 der Breitenänderungsvorrichtung 1 sind die einzelnen teilkreisförmigen Führungskonturen 25 der zweiten Gesamt-Führungskontur 24 nicht Teil einer gesamten Führungsscheibe sondern stellen obere, teilkreisförmige Konturabschnitte von ansonsten quaderförmigen Konturträgern 26 dar. Die Konturträger 26 sind vergleichbar zu einem Tragkörper 27 der ersten Gesamt-Führungskontur 23 miteinander fest verbunden und können zum Beispiel als einstückiger Gesamtkörper ausgeführt sein.
Beim System 21 gilt für das Radienverhältnis R₅/R₄ im Vergleich zum Radienverhältnis R₂/R₁ der Breitenänderungsvorrichtung 1 nach Fig. 1: $R_{5} / R_{4} > > R_{2} / R_{1} .$
Aufgrund dieses stark unterschiedlichen Radienverhältnisses ergibt sich, dass eine Einlauf-Arbeitsebene, die durch eine Lage der Einlauf-Führungsstange 13 des Systems 21 vorgegeben ist, in der z-Richtung tiefer liegt, also beabstandet ist von einer Auslauf-Führungsebene, die durch die Lage der Auslauf-Führungsstange 15 des Systems 21 vorgegeben ist. Die einlaufenden Faserbänder 2 werden also auf einer anderen Arbeitsebene transportiert als das auslaufende Gesamt-Faserband. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, in einen Gesamtbearbeitungsprozess Bearbeitungsschritte beispielsweise bei einer Roving-Herstellung in übereinander angeordneten Etagen und somit platzsparend durchzuführen.
Das Gesamt-Faserband 22 kann in der y-Richtung eine Gesamtbreite von mehreren hundert Millimetern haben.
Insgesamt werden bei dem System 21 nach Fig. 4 zehn Einzel-Faserbänder 2 zum Gesamt-Faserband 22 zusammengeführt. Je nach Ausführung des Systems 21 kann die Anzahl der zusammengeführten Einzel-Faserbänder 2 anders ein und kann sich zum Beispiel im Bereich zwischen 2 und 50 bewegen.
Das so aufgespreizte Gesamt-Faserband 22 kann als Vorstufe zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes in Form eines mit einem Polymer imprägnierten Gesamt-Faserbandes dienen, dass auch als Tape bezeichnet wird. Beispiele zur Verarbeitung eines solchen Faserverbandes sind beispielsweise in der EP 2 521 640 A1 angegeben.
Die vorstehend erläuterten Breitenänderungen der einzelnen Faserbänder 2 entstehen verdrillfrei, also ohne Tordierung der einzelnen Endlosfasern 3.
Ziel des Spreizens ist die Erzeugung eines unidirektionalen Flächengebildes (also des Faserbandes, mit definiertem und möglichst gleichmäßig ausgebildetem Flächengewicht). Die mit Hilfe der beschriebenen Breitenänderungsvorrichtungen 1, 18, 19 bzw. mit dem System 21 gestellten Faserbänder 2 bzw. 22 können nachfolgend beispielsweise mit einer thermoplastischen Polymerschmelze oder mit einem Reaktionsharzgemisch imprägniert und danach als insbesondere unidirektionale Prepregs oder Tape weiterverwendet werden. Das hergestellte Faserband kann alternativ auch als Faserband aus einer Spule zwischengespeichert und später weiterverarbeitet werden. Bei dem zwischengespeicherten, also beispielsweise aufgewickelten, Faserband kann es sich um ein trockenes oder auch um ein bereits imprägniertes, also nasses, Faserband handeln. Ein entsprechendes Faserband kann in einer Vorrichtung zum Herstellen von multiaxialen Fasergelegen zum Einsatz kommen. Ein Beispiel hierfür sind Multiaxial-Schuss-Gewirke.
Vor dem Einlaufen des Faserbandes, beispielsweise im Bereich der in der Fig. 1 vor der Einlauf-Förderstange 13 dargestellten Transportvorrichtung 4, kann eine Heizeinrichtung zum Erhitzen einlaufenden Faserbandes 2 vorgesehen sein. Die Heizeinrichtung kann das Faserband 2 über Heißluft, über IR-Strahlung oder über Kontaktwärme erhitzen. Beim Einsatz leitfähiger Materialien kann die Erhitzung auch durch Einleiten von Strom, insbesondere von Gleichstrom, durch die Fasern 3 des Faserbands 2 geschehen.

Claims

Vorrichtung (1; 18; 19) zur verdrillfreien Breitenänderung eines die Vorrichtung (1; 18; 19) durchlaufenden Faserbandes (2) aus Endlosfasern (3) auf eine vorgegebene Nutzbreite (B),
- mit einer Transporteinrichtung (4) zum Transport des Faserbandes (2),

- mit mindestens einer Breitenänderungseinrichtung (5),
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Breitenänderungseinrichtung (5), die derart ausgeführt ist, dass sie einen Anfangs-Abstand (a) zweier benachbarter Fasern (3) des Faserbandes (2) in einen Ziel-Abstand (b) benachbarter Fasern (3) des Faserbandes (2) überführt, wobei das Verhältnis zwischen dem Ziel-Abstand (b) und dem Anfangs-Abstand (a) für einen Großteil der Paare benachbarter Fasern (3) innerhalb eines Toleranzbereichs von 20 % übereinstimmt, aufweist:
- eine erste teilkreisförmige Führungskontur (6) mit einem ersten Konturradius, die in einer Anordnungsebene (yz) senkrecht zu einer Transportrichtung (x) des Faserbandes (2) liegt,

- eine zweite teilkreisförmige Führungskontur (7) mit einem zweiten Konturradius, die in einer weiteren Anordnungsebene (yz) senkrecht zur Transportrichtung (x) des Faserbandes (2) liegt,

- wobei die beiden teilkreisförmigen Führungskonturen (6, 7) koaxial angeordnet sind, wobei die Rotationssymmetrieachse beider Führungskonturen (6, 7) zusammenfällt, und die Kreisumfänge der teilkreisförmigen Führungskonturen (6, 7) senkrecht zur Transportrichtung (x) des Faserbandes (2) liegen, und

- wobei das Faserband (2) so über die beiden Führungskonturen (6, 7) geführt ist, dass die Einzelfasern (3) an beiden Führungskonturen (6, 7) anliegen, wobei die beiden Führungskonturen (6, 7) ohne zwischenliegende Führungskomponenten direkt aufeinander folgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Breitenänderungseinrichtung (5), die derart ausgeführt ist, dass sie einen Anfangs-Abstand (a) zweier benachbarter Fasern (3) des Faserbandes (2) in einen Ziel-Abstand (b) benachbarter Fasern (3) des Faserbandes (2) überführt, wobei das Verhältnis zwischen dem Ziel-Abstand (b) und dem Anfangs-Abstand (a) für einen Großteil der Paare benachbarter Fasern (3) innerhalb eines Toleranzbereichs von 20 % übereinstimmt, wobei die mindestens eine weitere Breitenänderungseinrichtung (5) aufweist:
- eine erste teilkreisförmige Führungskontur (6) mit einem ersten Konturradius, die in einer Anordnungsebene (yz) senkrecht zu einer Transportrichtung (x) des Faserbandes (2) liegt,

- eine zweite teilkreisförmige Führungskontur (7) mit einem zweiten Konturradius, die in einer weiteren Anordnungsebene (yz) senkrecht zur Transportrichtung (x) des Faserbandes (2) liegt,

- wobei die beiden teilkreisförmigen Führungskonturen (6, 7) koaxial angeordnet sind, wobei die Rotationssymmetrieachse beider Führungskonturen (6, 7) zusammenfällt, und die Kreisumfänge der teilkreisförmigen Führungskonturen (6, 7) senkrecht zur Transportrichtung (x) des Faserbandes (2) liegen,

- wobei das Faserband (2) so über die beiden Führungskonturen (6, 7) geführt ist, dass die Einzelfasern (3) an beiden Führungskonturen (6, 7) anliegen, wobei die beiden Führungskonturen (6, 7) ohne zwischenliegende Führungskomponenten direkt aufeinander folgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Breitenänderungseinrichtung (5) einen Rand-Anschlag (16) zur definierten Führung sämtlicher Ränder des Faserbandes (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Führungskonturen (6) auf einem Teil-Innenumfang genutzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Führungskomponenten (7) auf einem Teil-Außenumfang genutzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserband (2) zwischen obenliegenden Komponenten (6, 15) und untenliegenden Komponenten (10) geführt ist, wobei zumindest einige der obenliegenden Komponenten (6, 15) zwischen einer Betriebsstellung und einer Freigabestellung, in der das Faserband (2) von oben her zugänglich ist, verlagert werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Faserbands (2) vor dem Einlaufen in die mindestens eine Breitenänderungseinrichtung (5).
System (21) mit mehreren Vorrichtungen (1; 18; 19) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erzeugung eines zusammengesetzten Gesamt-Faserbandes (22) aus mehreren nebeneinander angeordneten Faserbändern (2).
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Abschnitte der Vorrichtungen (1; 18; 19) die Faserbänder (2) auf verschiedenen Arbeitsebenen transportieren.
Verfahren zur verdrillfreien Breitenänderung eines Faserbandes (2) aus Endlosfasern (3) auf eine vorgegebene Nutzbreite (B), dadurch gekennzeichnet, dass das Faserband (2) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder ein System nach einem der Ansprüche 8 oder 9 durchläuft.