NO130859B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og anordninq for impregnering av carbonfiberstrenger og -bånd.

Det er tidligere kjent å innstope fibermaterialer av forskjel-

lige materialer i plastgrunnmasser eller metaller for derigjennom å forsterke det aktuelle grunnmassemateriale.

Den effekt som derved etterstrebes, avhenger i hoy grad av for-sterkningsmaterialets egenskaper.

Fibermaterialer med hoy strekkfasthet og forholdsvis hoy E-modul (strekkfasthet or"B inntil ^60 kp/mm<2>, E-modul E = 7.000 - 10.000

kp/mm<2>) på basis av forskjellige glasstyper har vært benyttet i flere år 1 form av matter, vevede varer, rovings etc. for plastforsteik-

ning.

En spesiell fremgangsmåte for fremstilling av glassfiberfor-sterkene sammensatte materialer er fiberviklingsfremgangsmåten ("filament winding"). Som bekjent kan i henhold til en sådan fremgangsmåte rotasjonslegemer fremstilles hvor enkelte rovings eller også bånd av rovings med storre lengde anvendes som forsterknings-materiale. Som grunnmassematerialer benyttes ofte UP- og EP-harpikser.

Siden endel år. tilbake har man.gått over til å fremstille og bearbeide forsterkningsfibre for sammensatte materialer for hoyere krav, hvilke forsterkningsfibre i forhold, til glassfibre oppviser hoyere fasthetsegenskaper. Man kan her i-forste rekke nevne bor-tråder og carbonfibre. Da den foreliggende oppfinnelsesgjenstand angår en spesiell fremgangsmåte ved bearbeidelse av carbonfibre, skal det i det folgende bare redegjores for disse fibre.

Siden det er lykkes å fremstille carbonfibre med tilstrekkelig jevnhet i store lengder ( ^ 1000 ra), har disse for sterkningsf ibre blitt interessante for anvendelsesområder hvor disse.store lengder ubetinget er nodvendige, f.eks. ved vikling av beholdere etc. Sammenlignet med de konvensjonelle glassfibre oppviser imidlertid carbonfibre betydelige ulemper ved bearbeidelsen. Således er disse eksempelvis på grunn av deres ca. 3 5 ganger hoyere E-modul sammenlignet med glassfibre vesentlig mere omfintlige for knekking. Antallet brutte hhv. skadede-fibre i en streng av eksempelvis 10.000 elementærfibre er vesentlig storre enn i en lignende glassfiberstreng. Disse omstendigheter må ved bearbeidelse av carbonfiberstrenger ifolge fiberviklingsfremgangsmåten i hoy grad tas med i beregningen når et viklet legeme skal fremstilles med oppnåelse av en hoy pro-sentvis utnyttingsgrad av carbonfibrenes fasthetsegenskaper.

Vanligvis oppvikles carbonfibrene som skal anvendes, med uregulert vikling på spolelegemer, dvs. med en vinkel på ca„ h5 - 70° i forhold til spolens lengdeakse og i lengder på ca. 500 - 600 m. Dersom nå carbonfiberstrengen trekkes av med en kraft på ca. 500 p og mer fra spolen, er det uunngåelig at carbonfiberstrengen som'er oppviklet i kryssgående lag, i betydelig grad kan skades under av-trekkingen.

Det er fra DT-0S 1916262 kjent for fremstilling av viklede gjenstander av impregnerte fibre å trekke fibermateriale av fra en lagerrull ved hjelp av en spennvalse og derefter fore den ene side C av fibermaterialet over en impregneringsvalse.som er neddykket i/et harpiksbad, for den på en side impregnerte fiberstreng fores over en andre bremsevalse for opprettholdelse av en konstant trådspenning og vikles opp på en kjerrié. En slik anordning er imidlertid uegnet når carbonfibre anvendes som viklingsmateriale da disse kan fores over valser under strekk bare når de er fullstendig impregnerte.

En to-sidig impregnering av fibre er i og for seg kjent fra Kunststoffe 1967, s. hvor en fiberstreng fores gjennom en harpikstverrstrom. En slik fremgangsmåte forer imidlertid til.en ujevn skikttykkelse på fiber strengen, spesielt hvis impregnerings-væsken har hoy viskositet.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte for impregnering av carbonfiberstrenger, ved hvilken fremgangsmåte det sikres en meget jevn harpiksfordeling på fiberstrengen og andelen av skadede elementærfibre i strengen i utpreget grad reduseres.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte ved impregnering av carbonfiberstrenger og -bånd med stor lengde, hvor carbonfiberstrengene eller -båndene impregneres med harpiks med regulerbar skikttykkelse ved å ledes over impregneringsvalser, og fremgangsmåten er sær-

preget ved at carbonfiberstrengen eller -båndet vikles av en svingbar'avspolingsanordning ved hjelp av liten strekkraft og derefter ved hjelp av valser impregneres på begge sider, efter impregneringen fores gjennom et vendesystem bestående av flere bremsevalser for dannelse av den onskede oppviklingsfor spenning og derefter oppvikles med den dannede forspenning.

Oppfinnelsen angår også en anordning for utforelse av den foreliggende fremgangsmåte, og anordningen er særpreget ved at en svingbar avspolingsanordning er kombinert med en harpiksimpregneringsanordning bestående av vendevalser, impregneringsvalser som dypper ned i harpiksimpregneringsbad og et vendesystem bestående av bremsevalser som er tilsluttet en oppviklingsspole.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det anordnet en spole som er montert med en vinkel som tilsvarer oppspolingsvinkelen for carbonfiberstrengen. Da videre spolen bremses under avviklings-forlopet således at det oppbygges en regulerbar, liten avtrekkskraft, som fortrinnsvis er mellom 50 -250p, sikres det at carbonfiberstrengen trekkes av fra spolen på en skånsom måte uten at den gnis mot lagene som ligger under og dermed beskadiges.

Denne vinkelinnstilling beholdes inntil strengen har kommet-frem til spolens ende. Når dette er tilfelle, blir ved hjelp av lyselektrisk styring spolen svingt så langt at tråden som nå loper tilbake på spolen i lengdeaksens retning, vidtgående kan lope gnidningsfritt av fra viklingen. Spolen svinges igjen når tråden har nådd den andre ende av spolen.

Den torre carbonfibertråd loper nå over valser til den forste impregneringsanordning. Denne er et termostatregulert kar med et innhold på 300 - 1000 cm<J> som inneholder impregneringsharpikser som ho_ldes på den gunstigste impregneringstemperatur. Loddrett på lengdeaksen inneholder dette kar en metallvalse 'som dypper ned 2-5 cm i harpiksbadet. Ved hjelp av vendevalser som er styrt av avspolingsanordningen, loper carbonfiberstrengen med et bestemt påtrykk over impregneringsvalsen som derved settes i rotasjon. På grunn av denne rotasjon transporterer valsen impregneringsharpiks fra badet på sin sylindriske mantelflate.

Derved oppstår en harpiksfilm som carbonfiberstrengen loper igjennom. Tykkelsen av harpiksfilmen reguleres ved hjelp av avstrykningsplater mellom harpiksoverflaten i karet og carbonfiberstrengen som loper over impregneringsvalsen, ved hjelp av en regulerbar avstrykningsplate.

Den valgte harpiksfilmtykkelse er i forste rekke avhengig av viskositeten for impregneringsharpiksen ved den innstilte temperatur .

Ved trykket av carbonfiberstrengen på impregneringsvalsen oppnås en. viss vifteformet bevegelse av carbonfiberstrengen som sikrer en bedre inntrengning av harpiks gjennom carbonfiberstrengen.

Det har vist seg at på grunn av carbonfiberoverflatens dårlige affinitet til EP-harpikser som med fordel benyttes som impregneringsharpiks, er en eneste impregnering ikke tilstrekkelig.

Carbonfiberstrengen fores derfor over en annen.impregneringsanordning som er utformet i likhet med den ovenfor beskrevne,, Strengen ledes fordelaktig således at den overflate av strengen som ved den forste impregneringsvalse vender opp, ved den annen impregneringsvalse direkte fores over valsenc

Den impregnerte streng fores nå over flere vendevalser (fordelaktig minst 3) til trådoyet for viklemaskinen. Disse vendevalser kan bremses, hvorved det kan bygge seg opp en innstillbar maksimal avtrekkskraft hhv. trådspenning i den impregnerte carbon-

fiberstreng.

En avtrekkskraft hhv. trådspenning på ^ 5 kp kan eksempelvis oppbygges for en streng .av 10.000 elementærtråder ved kombinasjonen av den ovenfor beskrevne avspolingsanordning, impregnering og avbremsede vendevalser med storst mulig skånsomhet for carbonfiberstrengene. Denne hoye avtrekkskraft hhv. trådspenning er ufravikelig nodvendig for å oppnå et ensartet oppbygget viklelegeme i hvilket en mest mulig homogen fordeling av fibre i harpiks sikres, dvs. hvor man oppnår en luftblærefri, vidtgående homogen impregnering av fibrene med harpiks, og omvendt for å oppnå optimale egenskapsver-dier.

Kombinasjonen av svingbar avspolingsanordning forsynt med bremsemotor,samt en dobbeltimpregnering og de avbremsede vendevalser for oppbygging av den maksimalt oppnåelige avtrekkskraft, hhv. trådspenning, er gjenstand for den foreliggende oppfinnelse, fordi bare kombinasjonen av den beskrevne anordning leder til optimale resul-tater og sikrer den hbyest mulig utnyttingsgrad av fiberegenskapene i et viklingslaminat.

Ved kombinasjonen av avspolingsanordningen og en dobbeltsidig impregnering med doserbar harpiksfilm på impregneringsvalsene oppnås en impregnering av carbonfiberstrengen som oppviser folgende fordelaktige karakteristiske trekk:

Hoy jevnhet av forholdet harpiks/fiber,

praktisk talt fravær av luftblærer,

hoy jevnhet av harpiksfordelingen i strengen,

vidtgående reduksjon av andelen av skadede elementær-

fibre i strengen.

På denne måte impregnerte carbonfiberstrenger cllor -bånd egner seg fortrinnsvis for fremstilling av viklelegemer etter fiberviklingsfremgangsmåten ("filament winding") eller for fremstilling av forhåndsimpregnerte carbonfiberstrenger eller carbonfiberbånd ("prepregs").

En utfdrelsesform av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse for impregnering av carbonfiberstrenger eller -bånd er skjematisk angitt i den vedfoyede tegning, hvorav på Fig. 1 er vist en samlet impregneringsanordning i henhold til den foreliggende oppfinnelse og på

Fig» 2 en spolesvingeanordning.

En carbonfiberstreng 1 med stor lengde som i flere lag kryss-vis er oppviklet på en forsyningsspole 2 som er opplagret i en spolesvingeanordning (fig. 2), fores over et valsesystem som består av vendevalser, harpiksimpregneringsvalser og bremsevalser, og oppvikles på en viklekjerne under strekk. Bevegelsesretningen for fiberstrengen samt omdreiningsretningen for valsene er antydet med piler.

Valsesystemet er anordnet på en monteringsplate 3 som står loddrett, hvorved aksene for alle valser står parallelt med hverandre og inntar en rett vinkel i forhold til platen. Strengen fores fra forsyningsspolen 2 over en forste vendevalse h som er anordnet umiddelbart for den forste harpiksimpregneringsvalse 5, og tilfores deretter til en noe lavere anordnet vendevalse 6 til en annen har-piksimpregner ingsvalse 7. Begge harpiksimpregneringsvalser 5 og 7 dypper likeledes ned i et harpiksbad 8, 8a som via et termostatregulert varmebad 9, 9a lar seg oppvarme. Skikttykkelsen av har-piksen som ved valsenes omdreining medfores fra harpiksbadet, inn-stilles ved hjelp av avstrykningsplater 10 og. 10a umiddelbart for valsene, hvorved spalten mellom impregneringsvalsene og avstryk-ningsplatene er et mål for skikttykkelsen og gjennomimpregneringen av carbonfiberstrengen. På grunn av vendevalsen 6 sikres det at carbonfiberstrengen som forst ved hjelp av valsen 5 impregneres på en side, etter beroring av den annen impregneringsvalse 7 også impregnere^ på den andre lopebane. Ved hjelp av carbonfiberstrengens trykk mot valsene sikres deres omdreining. Etter impregnering av strengen på den annen harpiksimpregneringsvalse 7 fores strengen over et vende-valsesystem montert i rekke og bestående av fem bremsevalser 11 gjennom hvilke strengen fores i en bolgelinjeform. Bremsevalsenes bremsekraft er innstillbar således at carbonfiberstrengen kan oppvikles på spolen 12 med et motstrekk på ca. 5 kp.

På Fig0 2 er vist en utforelsesform av den svingbare avspolingsanordning. På en tverrstotte 12a for rammen 13 er i området for f iber str engutlopet rundt svingeaksen 1*+ en kryssviklet forsyningsspole 2 svingbart lagret på platen 15. Forsyningsspolen 2 står via et remdrev i forbindelse med en reguleringsmotor 16 likeledes anordnet på platen 15, og dreiemomentet for motoren er inn-stillbart. Platen 15 står via en hevarm 17 i forbindelse med en eksenterskive 18 som settes i rotasjon ved hjelp av en drivmotor 19, hvorved eksenterskiven dreies en vinkel på l80° når en svingning av for syningsspolen er nodvendig etter avvikling av et lag av den kryssoppviklede carbonfiberstreng, nærmere bestemt med den samme vinkel som fiberstrengen omslutter forsyningsspolens omkrets med. Svingningen av forsyningsspolen 2 styres lyselektrisk ved hjelp av en vendebryter 20, 20a forsynt med en lyskontakt.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte ved impregnering av carbonfiberstrenger og -bånd med stor lengde, hvor carbonfiberstrengene eller -båndene impregneres med harpiks med regulerbar skikttykkelse ved å ledes over impreg-ner ingsvalser , karakterisert ved at carbonfiberstrengen eller -båndet vikles av en svingbar avspolingsanordning ved hjelp av liten strekkraft og derefter ved hjelp av valser impregneres på begge sider, efter impregneringen fores gjennom et vendesystem bestående av flere bremsevalser for dannelse av den dnskede oppviklingsfor spenning og derefter oppvikles med den dannede forspenning.

2. Anordning for impregnering av carbonfiberstrenger.og -bånd med' stor lengde ved fremgangsmåten ifblge krav 1, hvor carbonfiberstrengene eller -båndene impregneres med harpiks med regulerbar skikttykkelse ved å ledes over impregneringsvalser, karakterisert ved at en svingbar avspolingsanordning et kombinert med en harpiksimpregneringsanordning bestående av vendevalser P:-,1'), impregneringsvalser ( 5, 7) som dypper ned i harpiksimpregneringsbad (8,8a), og et vendesystem bestående av bremsevalser (11) som er tilsluttet en oppviklingsspole (12).

3. Anordning ifolge krav 2,karakterisert ved at

det for svingning av avspolingsanordningen er anordnet en eksenterskive (18) som etter 'Hver avspoling av nt lag av carbonfiberstrengen (l)j som er viklet på en kryssviklet for, yningsspole (2), uten beroring lar seg dreie en vinkel på l80° ved hjelp av en styringsan-. ordning (20,20a). h. Anordning ifolge krav 2,karakterisert ved at hver av harpiksimpregneringsvalsene (5,7) dypper ned i et temperatur - regulert harpiksimpregneringsbad (8,8a),

5. Anordning ifolge krav 2, k a r a ; t e r i s e r t ved at vendesystemet består av minst en bremse" aloe (11) hvis bremsekraft kan være innstillbar.