WO2018036790A1 - Vorrichtung und verfahren zur imprägnierung von faserstrukturen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur imprägnierung von faserstrukturen Download PDF

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WO2018036790A1
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bath
matrix material
cover
scrapers
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Andre Meyer
Michael HASENPATT
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Basf Se
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    • D10B2331/021—Fibres made from polymers obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. polycondensation products polyamides aromatic polyamides, e.g. aramides

Definitions

  • the invention is based on a device for impregnating fiber structures with a matrix material comprising a lower part with a bath for receiving the matrix material and a drip unit.
  • Fiber structures impregnated in a bath in particular continuous fibers, can be used to produce components by wet winding, for example pipes, masts or tanks.
  • wet winding for example pipes, masts or tanks.
  • Such a device allows a continuous impregnation of the fiber structure, which can then be further processed immediately after soaking.
  • the impregnated fiber structure is wound into the final product before the matrix material has hardened or solidified. After winding, the curing or solidification of the matrix material then takes place to the finished end product.
  • US Pat. No. 5,747,075 discloses a pultrusion process in which the fibers are guided through channels into which matrix material for impregnation is pumped via a distributor.
  • US Pat. No. 5,084,305 describes a soaking method in which the fibers are guided over webs in which nozzles are formed in each case through which the matrix material is applied to the fibers. Uniform impregnation is achieved in this system by passing the fibers once over a web and once under a web.
  • the object of the present invention was to provide a device for impregnating fiber structures, which does not have the disadvantages known from the prior art.
  • a device for impregnating fiber structures with a matrix material comprising a lower part with a bath for receiving the matrix material and a drip unit, wherein the drip unit comprises at least one scraper with a scraper edge over which the impregnated fiber structure is guided in operation and a inclined surface in the direction of the bath, can run back over the dripping of the fiber structure matrix material in the bath, and a lid on which a deflection unit is mounted, with the fiber structure is pressed with the lid mounted in the bath, with the lid mounted between the Cover and the lower part at the sides, through which the fiber structure is guided into the device and exits the device, a gap is formed.
  • the bath with matrix material through which the fiber structure is made to soak it is not necessary to provide metering units with which an exact amount of matrix material is supplied.
  • the fibers absorb the matrix material as it passes through the bath, and excess matrix material is subsequently stripped off.
  • the at least one scraper with scraper edge is provided.
  • the stripped matrix material drips onto the inclined surface in the direction of the bath, so that the excess and stripped matrix material over the inclined surface back into the bath and can be recycled.
  • the lid prevents a constant exchange of air above the bath.
  • the evaporation of the matrix material can be restricted, on the other hand, the constant supply of fresh air is prevented, so that a reaction of the matrix material is slowed down with the water contained in the air.
  • the matrix material contained in the bath can thus be used for a longer period of time and has to be replaced less often due to the onset of aging and the associated increase in viscosity.
  • a gap is provided between the cover and the lower part, through which the Fibers are fed into the device and a second gap through which the soaked fibers leave the device again.
  • the fiber structure With the deflection part mounted on the cover, the fiber structure is pressed into the matrix material in the bath during operation. This makes it possible to fill the bath independently of the insertion of the fibers.
  • the fibers can be easily inserted above the surface of the bath and are then pressed with assembly of the lid with the deflection in the bath. A cumbersome inserting at emptied bath is thus eliminated.
  • Another advantage of the device according to the invention is that the lower part can be removed in a simple manner and replaced by a new lower part by the structure with the deflection on the lid for cleaning. As a result, no long service interruptions in a cleaning are required. Should the cleaning effort be too great or be possible only with environmentally harmful agents, so that disposal can be carried out more favorably and environmentally friendly, it allows the device according to the invention also to carry out parts as disposable parts and to replace a lower part by a new one if necessary.
  • At least one scraper is mounted on the lid, which with a mounted lid from above with a Stripping edge presses on the impregnated fiber structure.
  • the at least one scraper mounted on the lid also wipes off the excess matrix material from the top of the fibers. Also this drips from the scraper on the inclined surface in the direction of the bath, from which the matrix material flows back into the bath.
  • At least one wiper mounted on the cover is height-adjustable. It is particularly preferred if all scrapers mounted on the cover are height adjustable. If several scrapers are provided, which are mounted on the cover, it is possible to set each scraper individually. This allows guidance by the scrapers mounted on the base and on the lid such that a desired amount of matrix material remains in the fiber structure. The greater the distance between the scraping edge of the scraper mounted on the cover and the cover, the greater the pressure acting on the impregnated fiber structure and the more matrix material is stripped off.
  • the scrapers are adjusted so that only a slight pressure on the fiber structure acts, but instead should be contained in the fibrous structure, only a small proportion of matrix material, the scrapers are adjusted so that a higher pressure on the fiber structure acts.
  • the wipers on the cover and on the lower part are offset relative to one another in the conveying direction of the fiber structure.
  • the scrapers on the lower part and the lid are each dimensioned so that the wiping edge of the scraper on the lid is deeper than the wiping edge of the scrapers on the lower part of the device. In this way, there is always a combing of the scrapers mounted on the cover between the scrapers mounted on the lower part. By adjusting the height of the scrapers mounted on the lower part and / or the scrapers mounted on the cover, it is then possible to set how deep the scrapers comb into one another.
  • Abrasion-resistant metal, abrasion-resistant plastic, abrasion-resistant ceramic or glass are particularly suitable as material for the scrapers.
  • an abrasion-resistant material ensured that no particles removed by the scraper get into the impregnated fiber structure as foreign substances. In addition, this prevents that the scraping edges deform during operation by abrasion. As a result, a uniform effect of the scrapers over the entire service life is achieved.
  • Particularly preferred as material for the scrapers are steel, high density polyethylene (HDPE), polytetrafluoroethylene (PTFE), ceramic or glass.
  • abrasion resistance is understood to mean that less than 0.1 mm of the material of the scraper is removed by the continuous fiber structure during the passage of 1000 km of the fiber structure, in particular of rovings.
  • a first deflection unit is provided on the lower part, over which the fiber structure is guided before entering the bath.
  • a second deflection unit is preferably provided on the lower part, over which the impregnated fiber structure is guided after leaving the bath. Since the first deflection unit and the second deflection unit are respectively provided on the lower part, the fiber structure can be simply placed on the deflection units during insertion.
  • the fiber structure is then pressed into the bath by means of the deflecting unit attached to the lid, so that the fiber structure is guided via the first deflecting unit on the lower part, along the deflecting unit on the lid and via the second deflecting unit on the lower part to the dripping unit.
  • the first deflecting unit and the second deflecting unit on the lower part are in this case placed so that the deflecting unit is positioned on the cover during assembly between the first deflecting unit on the lower part and the second deflecting unit on the lower part.
  • a stripper roller is mounted on the lid, which presses the fiber structure onto the second deflection unit when the lid is mounted.
  • the fiber structure is passed between the second deflection unit and the stripping roller. Since the stripping roller presses on the deflection unit, excess matrix material is already forced out of the fiber structure at this location. The positioning of the second deflection unit and the stripping roller further causes the excess matrix material to run back directly into the bath.
  • the first and second diverting units may each independently be a bar or a rotatable roller.
  • the deflection unit, with which the fiber structure is pressed into the bath comprise at least one rod or at least one rotating roller. If the deflection unit is a rod, it preferably has only rounded edges and is particularly preferably a round rod. It can be provided for the deflecting both rods and rotatable rollers. However, it is preferred if at least the first and the second deflection unit, which are arranged on the lower part, are either designed both as a rod or both as a rotating roller. Particularly preferably, all deflecting elements are designed as a rod or all deflecting elements as a rotatable roller.
  • Suitable materials for the deflectors are the same as the materials for the scrapers.
  • the deflection elements are preferably made of abrasion-resistant metal, abrasion-resistant plastic, an abrasion-resistant ceramic or glass and are particularly preferably made of steel, HDPE, PTFE, ceramic or glass.
  • only one deflecting element can be provided on the lid, or several deflecting elements can be mounted on the lid.
  • all deflection elements mounted on the cover are positioned so that they are positioned between the first and the second deflecting element on the lower part when the cover is closed and when the deflecting elements are present on the lower part.
  • a sealing lip is provided at the gap through which the fiber structure emerges from the device.
  • the sealing lip can be made of any suitable material, in particular an elastomeric material, as it is commonly used for seals. The use of the elastomeric material ensures that both the not yet impregnated fiber structure at the inlet into the device and the impregnated fiber structure when leaving the device are not damaged by the sealing lip.
  • an inlet and a drain for a purge gas are included.
  • the purge gas With the purge gas, the atmosphere above the matrix material can be removed and replaced by the purge gas.
  • Suitable purge gases are dependent on the matrix material used.
  • matrix materials that react with water use an anhydrous purge gas.
  • dry air or a dry inert gas such as nitrogen, carbon dioxide or a noble gas are suitable for this purpose.
  • Inert gases are also suitable if the matrix material can react with other components of the air, for example the oxygen contained therein.
  • a purge gas can be used which is saturated with the components of the matrix material that can evaporate.
  • the fiber structure to be impregnated is preferably taken from a supply, for example a roll, onto which the fiber structure is wound.
  • the fiber structure to be impregnated is a "final In other words, the fiber structure may in principle have an unlimited length and a finite length results merely from the necessity that fiber structures of any arbitrary length may not be contained in the reservoir
  • fibrous structures that can be impregnated are, for example, nonwovens, woven fabrics, knitted fabrics, single fibers or rovings.
  • the fiber structure comprises rovings. These are particularly preferably wound up after impregnation in step (b) in a wet winding process to form a component.
  • Components that can be produced by the method according to the invention are, for example, tubes, masts or tanks of any type and size.
  • the fiber structure contains carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, synthetic fibers, for example polymer fibers or natural fibers.
  • the fiber structure may contain different fibers. The selection of fibers results in particular from the mechanical requirements of the component. It is common, however, that no different fibers but only fibers of a material are used.
  • the fiber structure particularly preferably contains carbon fibers, glass fibers or aramid fibers.
  • the matrix material with which the fibers are impregnated can be any thermoplastic polymer or contain educts for producing a thermosetting or thermoplastic polymer, wherein the educts must be in liquid or dissolved form. If the matrix material is a thermoplastic polymer, this is present, for example, as a melt. Alternatively, however, it is also possible that the matrix material comprises starting materials for the preparation of the polymer in the form of a monomer solution, oligomer solution, monomer melt or oligomer melt, which then react to the desired polymer. If the fiber structure is to be impregnated with a thermosetting polymer, the matrix material always contains educts for producing the desired thermosetting polymer. In addition, the matrix material may contain conventional catalysts. Starting materials for the preparation of the polymer are generally monomers or oligomers of which the polymer is composed. If a thermosetting polymer is to be produced, then the starting materials can also already be present as polymers which react further to give thermosets.
  • the matrix material may also contain additives. These are, for example, plasticizers, impact modifiers, and
  • UV stabilizers UV stabilizers, flame retardants and any other known to those skilled additives that are commonly used for the modification of polymers.
  • the matrix material is particularly preferably selected from unsaturated polyester resins (UP), vinyl esters (VE), epoxy resins (EP) and polyurethanes (PUR) and their educts.
  • UP unsaturated polyester resins
  • VE vinyl esters
  • EP epoxy resins
  • PUR polyurethanes
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a wet-winding process
  • Figure 2 is a sectional view of a device according to the invention for impregnating a
  • FIG. 3 shows a sectional view of the device according to FIG. 2 with the lid closed
  • Figures 4 to 7 are sectional views of different embodiments of a device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a wet winding method, in which the device according to the invention for impregnating a fiber structure can be used, in a schematic diagram.
  • a fiber structure 1 in the embodiment shown here rovings, from a supply 3, here a coil frame, a bath 5 is supplied.
  • the rovings are passed through ridges 7, in which the rovings are separated from each other so that they come in contact with the matrix material in the bath 5 and are thus uniformly impregnated.
  • the bath 5 is followed by a stripper roller pair 9, through which the rovings impregnated in the bath 5 are guided. On stripper roller pair 9, excess matrix material is removed from the impregnated rovings.
  • the impregnated rovings are guided by a guide ring 1 1 and wound onto a spindle 13.
  • a rotationally symmetrical component 15 is generated.
  • the guide ring 1 1 is movable and can, as shown here with arrows parallel to the axis of the spindle 1 1 are moved.
  • a device according to the invention for impregnating a fiber structure is shown in a sectional view in FIG.
  • a device in which the fiber structure 1, for example the rovings, can be impregnated with matrix material comprises a lower part 21 and a cover 23.
  • the bath 5 is located with the matrix material, with which the fiber structure 1 is to be impregnated.
  • the bath 5 is followed by a surface 25 inclined in the direction of the bath.
  • scrapers 27, each having a scraper edge 29, are arranged on the lower part 21.
  • the fiber structure 1 is guided over the wiping edge 29 and excess matrix material is removed from the fiber structure 1. removed.
  • the scrapers 27 By positioning the scrapers 27 above the inclined surface, the stripped matrix material flows back into the bath 5.
  • scrapers 31 are mounted, which are preferably adjustable in height.
  • the scrapers 31 on the cover 23 are preferably positioned so that they mesh between the scrapers 27 on the lower part 21.
  • a deflection unit 33 is further mounted, with which the fiber structure 1 is pressed in the closed lid 23 into the bath 5. This is shown in FIG. Here it can also be seen that the scrapers 27, which are fastened to the lower part 21, mesh between the scrapers 31, which are mounted on the cover 23. As a result, the fiber structure 1 a slight zig-zag course impressed
  • a first deflecting unit 35 and a second deflecting unit 37 are provided on the lower part 21 in the embodiment shown here.
  • the fiber structure 1 passes through a gap 39 between the lower part 21 and cover 23 into the device for impregnating fibers, is guided over the first deflection unit 35 on the lower part 21.
  • the fiber structure 1 runs along the deflection unit 33, which is mounted on the cover 23 and with which the fiber structure 1 is immersed in the bath 5.
  • the deflecting unit 33 is adjoined by the second deflecting unit 37, via which the fiber structure 31 is guided, before it is fed to the scrapers 27, 31, at which the excess matrix material is removed.
  • the impregnated fiber structure then leaves the device and can be a further processing, for example, the spindle 13 of a wet winding process, fed.
  • a further processing for example, the spindle 13 of a wet winding process
  • any other, for example flat, components can also be produced from the impregnated fiber structure.
  • the supply to a spindle 13 of a wet-winding method is preferred.
  • a stripping roller 43 is included, which rests against the second deflecting unit 37 when the cover 23 is closed. The impregnated fiber structure is then passed between the second deflection unit 37 and the stripping roller 43.
  • the pressure with which the scrapers 27, 31 act on the impregnated fiber structure 1 can be set. In this way, it can be selectively adjusted how much matrix material the impregnated fiber structure 1 should contain.
  • a higher pressure which is achieved by the scrapers 31 fastened to the cover 23 meshing more deeply between the scrapers 27 on the lower part 21, more matrix material is pressed out of the impregnated fiber structure 1, so that they have a total of less matrix material. holds than at a setting of the scrapers 31 such that they mesh less deeply between the scrapers 27 on the lower part 21 and the pressure on the fiber structure is thus lower.
  • Both the deflecting unit 33 mounted on the cover 23 and the first deflecting unit 35 and the second deflecting unit 37 on the lower part 21 can each be designed independently of one another in the form of a rod or as a rotatable roller. If a deflection unit 33, 35, 37 is designed as a rod, it has, at least in the region in which contact takes place with the fiber structure 1, preferably only rounded edges and is in particular a round rod.
  • the scrapers 27, 31 used can assume any shape known to the person skilled in the art for scrapers. Also, the scrapers can be aligned in a direction different from 90 ° to the fiber structure 1 direction. With regard to the shape and orientation of the scrapers, care must be taken that this does not damage the impregnated fiber structure 1.
  • the scrapers can be designed and aligned, as is currently common in baths for impregnating fiber structures.
  • FIGS. 4 to 6 show alternative embodiments for the design of the deflection unit 33 mounted on the cover 23.
  • the remaining structure of the device for impregnating fiber structures corresponds to that of FIGS. 2 and 3.
  • the deflection unit 33 comprises a first deflection unit 45 mounted on the cover 23 and a second deflection unit 47 mounted on the cover 23.
  • first deflection unit 45 mounted on the cover 23 and the second on the cover 23 mounted deflection unit are designed as a rod or as a rotatable roller.
  • the position of the first deflecting unit 45 mounted on the cover 23 and the second deflecting unit 47 mounted on the cover 23 is such that both deflecting units 45, 47 are positioned between the first deflecting unit 35 and the second deflecting unit 37 when the cover 23 is closed.
  • the distance that extends the fiber structure in the bath 5 extends and thus the residence time of the fiber structure in the bath 5 at the same speed compared to only one deflection unit, such as it is shown in Figures 2 and 3, are increased.
  • an additional Provide deflecting 49 in the bathroom 5 This is located, as shown in Figure 5 between the first mounted on the cover 23 deflection unit 45 and the second mounted on the cover 23 deflection 47.
  • the fiber structure is pressed against the cover mounted on the deflection units 45, 47 and At the same time, this also results in a pressure at the additional deflecting unit 49.
  • the deflection unit 33 can also be designed in the form of a stamp having a structured surface. This is illustrated by way of example for a deflection unit with a wave-shaped surface in FIG. However, the structure of the surface can take any other form. It should only be noted that the fiber structure is not damaged by the structure of the surface of the deflection unit 33 designed as a stamp.
  • FIG. 1 An embodiment with an alternative design of the drip unit is shown in FIG. 1
  • the drip unit is not designed with intermeshing scrapers 27, 31.
  • deflecting units 51 for example in the form of a rod or rotatable roller, are provided in the drip unit at the lower part and height-adjustable scrapers 53 on the cover.
  • the fiber structure 1 is passed between the deflecting units 51 and the scrapers 53 the fiber structure 1 with the deflecting units 51 is pressed against the scrapers 53.
  • the scrapers 53 can be adjusted in height, so that they can be pressed with an adjustable pressure against the deflection units 51. As a result, the amount of matrix material in the impregnated fiber structure can be adjusted.
  • a further deflection unit 55 is mounted on the lid.
  • the matrix material used is a polymer or a polymer precursor compound which reacts chemically with an air constituent, for example water contained in the air.
  • an inlet and a drain for a purge gas may be provided to purge the gas space above the bath with the purge gas.
  • the apparatus for impregnating a fiber structure allows easy commissioning. Regardless of whether matrix material is already contained in the bath 5 or not, it is possible to simply hang up the fiber structure 1 with the lid 23 open. By deflecting units and scrapers on the cover 23, the fiber structure is pressed against the corresponding deflection units and scrapers on the lower part 21 and in the bath 5 and thus takes the intended path. A complicated threading of the fiber structure or a discharge of the matrix material from the bath to put the fiber structure around a roller is therefore not required with the device described here. In a simple manner, the fiber structure after opening the lid 23 can be removed again even when switching off.

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Abstract

Vorrichtung zur Imprägnierung von Faserstrukturen (1) mit einem Matrixmaterial umfassend ein Unterteil (21) mit einem Bad (5) zur Aufnahme des Matrixmaterials und einer Abtropfeinheit, wobei die Abtropfeinheit mindestens einen Abstreifer (27) mit einer Abstreifkante (29) umfasst, über die die getränkte Faserstruktur (1) im Betrieb geführt wird und eine in Richtung des Bades geneigte Fläche (25), über die von der Faserstruktur (1) abtropfendes Matrixmaterial in das Bad (5) zurücklaufen kann, sowie einen Deckel (23), an dem eine Umlenkeinheit (33) montiert ist, mit der die Faserstruktur (1) bei montiertem Deckel (23) in das Bad (5) gedrückt wird, wobei bei montiertem Deckel (23) zwischen dem Deckel (23) und dem Unterteil (21) an den Seiten, durch die die Faserstruktur (1) in die Vorrichtung geführt wird und aus der Vorrichtung austritt, jeweils ein Spalt (39, 41) ausgebildet ist. Verfahren, bei dem eine Faserstruktur mit einem Matrixmaterial in einer solchen Vorrichtung imprägniert und anschließend zum Bauteil geformt wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Imprägnierung von Faserstrukturen Beschreibung Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Imprägnierung von Faserstrukturen mit einem Matrixmaterial umfassend ein Unterteil mit einem Bad zur Aufnahme des Matrixmaterials und einer Abtropfeinheit.
Durch die Imprägnierung von Faserstrukturen werden Faserbundmaterialien hergestellt. In ei- nem Bad imprägnierte Faserstrukturen, insbesondere Endlosfasern, können eingesetzt werden, um Bauteile im Nasswickelverfahren, beispielsweise Rohre, Masten oder Tanks, herzustellen. Eine solche Vorrichtung erlaubt ein kontinuierliches Imprägnieren der Faserstruktur, die dann nach dem Tränken unmittelbar weiterverarbeitet werden kann. Üblicherweise wird bei den Nasswickelverfahren die getränkte Faserstruktur zum Endprodukt gewickelt, bevor das Matrix- material ausgehärtet oder erstarrt ist. Nach dem Wickeln erfolgt dann das Aushärten oder Erstarren des Matrixmaterials zum fertigen Endprodukt.
Um Faserstrukturen, insbesondere Endlosfasern, zu tränken, sind unterschiedliche Verfahren bekannt, wobei in der Regel ein Bad eingesetzt wird, durch das die Fasern geführt werden.
So ist zum Beispiel aus der US 2,433,965 bekannt, Endlosfasern durch ein Bad zu leiten, indem die Fasern von oben in das Bad eintauchen und um Rollen innerhalb des Bades geführt werden. Nach dem Verlassen des Bades werden die so getränkten Fasern durch ein Walzenpaar geführt, in dem überschüssiges Matrixmaterial ausgepresst wird. Hierzu befinden sich die Wal- zenpaare oberhalb der Badoberfläche, damit das abgeschiedene Matrixmaterial zurück in das Bad fließt.
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines gewickelten Produkts ist aus US 4,267,007 bekannt. Hier werden die Fasern vor dem Wickelprozess ebenfalls in einem Bad mit dem Matrixmaterial getränkt. Hierzu werden die Fasern um eine Rolle innerhalb des Bades geleitet. Danach werden die getränkten Fasern über eine Platte geleitet und mit einem Block auf die Platte gedrückt, um überschüssiges Matrixmaterial auszupressen.
Alle Verfahren, bei denen die Faserstruktur durch ein Bad geleitet wird, haben jedoch den Nachteil, dass aufgrund des üblicherweise offenen Bades die Viskosität des Matrixmaterials mit der Zeit ändert, entweder aufgrund von Verdunstung oder in Abhängigkeit vom eingesetzten Matrixmaterial auch durch chemische Reaktion aufgrund des Kontaktes mit Luftfeuchtigkeit. Zudem ist es bei jedem Anfahren, zum Beispiel nach einer Reinigung, notwendig, die Fasern wieder mühsam einzufädeln. Die Befüllung des Bades kann erst erfolgen, wenn die Fasern be- reits eingelegt worden sind.
Um insbesondere zu vermeiden, dass sich die Viskosität des Matrixmaterials ändert, sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen die Fasern durch einen Spalt geführt werden, in dem die Imprägnierung erfolgt. Eine solche Vorrichtung ist zum Beispiel aus US 4,937,028, US 5,766,357 oder aus WO-A 2007/062516 sowie aus A. Miaris et al.,„Modeling the Impregna- tion Process of a Siphon Impregnation System during Filament Winding", Proceedings of the ASME 201 1 Pressure Vessels and Piping Division Conference, PVP201 1 , July 201 1 , bekannt. Diese Verfahren haben jedoch insbesondere den Nachteil, dass aufgrund der geringen Größe der Imprägniereinrichtung das Matrixmaterial kontinuierlich und sehr präzise nachgeführt werden muss, um eine gleichmäßige Imprägnierung zu erhalten.
Aus US 5,747,075 ist ein Pultrusionsverfahren bekannt, bei dem die Fasern durch Kanäle ge- führt werden, in die über einen Verteiler Matrixmaterial zum Tränken eingepumpt wird.
US 5.084,305 beschreibt ein Tränkungsverfahren, bei dem die Fasern über Stege geführt werden, in denen jeweils Düsen ausgebildet sind, durch die das Matrixmaterial auf die Fasern appliziert wird. Eine gleichmäßige Imprägnierung wird bei diesem System erreicht, indem die Fa- sern einmal über einen Steg und einmal unter einem Steg entlanggeführt werden.
Auch bei diesen Verfahren ist eine kontinuierliche und insbesondere gleichmäßige Zufuhr des Matrixmaterials erforderlich, um gleichmäßig imprägnierte Fasern zu erhalten. Eine weitere Möglichkeit zur Imprägnierung von Fasern ist aus US 7,413,623 bekannt. Hier werden die Fasern um mehrere Walzen geführt und die Zugabe des Matrixmaterials erfolgt aus einem Vorratsbehälter, der oberhalb der Walzen angeordnet ist und aus dem das Matrixmaterial einem Walzenspalt zugeführt wird, durch den sich die Fasern von oben nach unten bewegen. Hier ist insbesondere nachteilig, dass überschüssiges Matrixmaterial durch die Walzen nach unten abläuft und nicht rezykliert werden kann. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass sich Matrixmaterial auf den Walzen ablagert und auf der Walzenoberfläche aushärtet, was zu notwendigen zusätzlichen und aufwendigen Reinigungsprozessen führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Vorrichtung zur Imprägnierung von Fa- serstrukturen bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Imprägnierung von Faserstrukturen mit einem Matrixmaterial umfassend ein Unterteil mit einem Bad zur Aufnahme des Matrixmaterials und einer Abtropfeinheit, wobei die Abtropfeinheit mindestens einen Abstreifer mit einer Abstreifkante umfasst, über die die getränkte Faserstruktur im Betrieb geführt wird und eine in Richtung des Bades geneigte Fläche, über die von der Faserstruktur abtropfendes Matrixmaterial in das Bad zurücklaufen kann, sowie einen Deckel, an dem eine Umlenkeinheit montiert ist, mit der die Faserstruktur bei montiertem Deckel in das Bad gedrückt wird, wobei bei montiertem Deckel zwischen dem Deckel und dem Unterteil an den Seiten, durch die die Faserstruktur in die Vorrichtung geführt wird und aus der Vorrichtung austritt, ein Spalt ausgebildet ist. Durch das Bad mit Matrixmaterial, durch das die Faserstruktur zum Tränken geführt wird, ist es nicht notwendig, Dosiereinheiten vorzusehen, mit denen eine exakte Menge an Matrixmaterial zugeführt wird. Die Fasern nehmen das Matrixmaterial beim Durchlaufen des Bades auf und überschüssiges Matrixmaterial wird anschließend abgestreift. Hierzu ist der mindestens eine Abstreifer mit Abstreifkante vorgesehen. Das abgestreifte Matrixmaterial tropft auf die in Richtung des Bades geneigte Fläche, so dass das überschüssige und abgestreifte Matrixmaterial über die geneigte Fläche wieder zurück in das Bad läuft und so wiederverwertet werden kann.
Durch den Deckel, mit dem die Vorrichtung verschlossen wird, wird verhindert, dass ein ständi- ger Luftaustausch oberhalb des Bades erfolgt. Hierdurch kann zum Einen die Verdunstung des Matrixmaterials eingeschränkt werden, zum Anderen wird auch die ständige Zufuhr von frischer Luft unterbunden, so dass eine Reaktion des Matrixmaterials mit dem in der Luft enthaltenen Wasser verlangsamt wird. Das im Bad enthaltene Matrixmaterial kann somit länger genutzt werden und muss weniger oft wegen eintretender Alterung und damit einhergehender Zunahme der Viskosität ausgetauscht werden. Um zu verhindern, dass die Fasern beim Eintritt in die Vorrichtung oder beim Verlassen der Vorrichtung geschädigt werden und weiterhin zu verhindern, dass bei Verlassen der Vorrichtung das Matrixmaterial wieder aus den Fasern ausgepresst wird, ist ein Spalt zwischen Deckel und Unterteil vorgesehen, durch den die Fasern in die Vorrichtung geführt werden und ein zweiter Spalt, durch den die getränkten Fasern die Vorrichtung wieder verlassen.
Mit dem an den Deckel montierten Umlenkteil wird die Faserstruktur im Betrieb in das Matrixmaterial im Bad gedrückt. Hierdurch ist es möglich, das Bad unabhängig vom Einlegen der Fasern zu befüllen. Die Fasern können auf einfache Weise oberhalb der Oberfläche des Bades einge- legt werden und werden dann bei Montage des Deckels mit dem Umlenkteil in das Bad gedrückt. Ein umständliches Einlegen bei entleertem Bad entfällt somit.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass durch den Aufbau mit der Umlenkeinheit am Deckel für eine Reinigung das Unterteil auf einfache Weise entnommen und durch ein neues Unterteil ersetzt werden kann. Hierdurch sind keine langen Betriebsunterbrechungen bei einer Reinigung erforderlich. Sollte der Reinigungsaufwand zu groß sein oder nur mit umweltschädlichen Mitteln möglich sein, so dass eine Entsorgung günstiger und umweltfreundlicher durchgeführt werden kann, erlaubt es die erfindungsgemäße Vorrichtung auch, Unterteile als Einwegteile auszuführen und jeweils bei Bedarf ein Unterteil durch ein neues zu ersetzen.
Um nach dem Durchlaufen des Bades die Fasern gleichmäßig abzustreifen ist es bevorzugt, wenn zusätzlich zu dem mindestens einen Abstreifer, über den die getränkte Faserstruktur im Betrieb der Vorrichtung geführt wird, mindestens ein Abstreifer am Deckel montiert ist, der bei montiertem Deckel von oben mit einer Abstreifkante auf die getränkte Faserstruktur drückt. Mit dem mindestens einen am Deckel montierten Abstreifer wird auch das überschüssige Matrixmaterial von der Oberseite der Fasern abgestreift. Auch dieses tropft von dem Abstreifer auf die in Richtung des Bades geneigte Fläche, von der das Matrixmaterial in das Bad zurückfließt. Durch die Montage des Abstreifers am Deckel ist es auch hier möglich, die Faserstruktur auf einfache Weise in die Vorrichtung über die am Unterteil montierten Teile einzulegen. Die von oben einwirkenden Teile drücken dann entsprechend nach Montage des Deckels auf die Faserstruktur. Ein aufwendiges Einfädeln zwischen den einzelnen Abstreifern und Umlenkteilen ist nicht erforderlich.
Damit der auf die Faserstruktur wirkende Druck eingestellt werden kann ist es weiterhin bevorzugt, wenn mindestens ein am Deckel montierter Abstreifer höhenverstellbar ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn alle am Deckel montierten Abstreifer höhenverstellbar sind. Wenn meh- rere Abstreifer vorgesehen sind, die am Deckel montiert sind, ist es möglich, jeden Abstreifer individuell einzustellen. Dies ermöglicht eine Führung durch die am Unterteil und am Deckel montierten Abstreifer derart, dass eine gewünschte Menge an Matrixmaterial in der Faserstruktur verbleibt. Je größer der Abstand zwischen Abstreifkante des am Deckel montierten Abstreifers und dem Deckel ist, umso größer ist der Druck, der auf die getränkte Faserstruktur wirkt und umso mehr Matrixmaterial wird abgestreift. Wenn also eine Faserstruktur mit viel Matrixmaterial erhalten werden soll, werden die Abstreifer so eingestellt, dass ein nur geringer Druck auf die Faserstruktur wirkt, wenn stattdessen ein nur geringer Anteil an Matrixmaterial in der Faserstruktur enthalten sein soll, werden die Abstreifer so eingestellt, dass ein höherer Druck auf die Faserstruktur wirkt.
Um das Matrixmaterial gleichmäßig von der Faserstruktur abzustreifen ist es weiterhin bevorzugt, wenn dass die Abstreifer am Deckel und am Unterteil in Förderrichtung der Faserstruktur versetzt zueinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn in Förderrichtung der Faserstruktur jeweils abwechselnd ein Abstreifer am Deckel und einer am Unterteil ange- ordnet ist. Durch eine solche Anordnung wird die Faserstruktur gleichmäßig von oben und unten an den Abstreifern entlang geführt und das Matrixmaterial abgestreift. Eine Abwechselnde Anordnung der Abstreifer am Unterteil und am Deckel führt weiterhin dazu, dass die am Deckel montierten Abstreifer jeweils zwischen den am Unterteil montierten Abstreifern kämmen. Dies hat den weiteren positiven Effekt, dass bei einer Höheneinstellung der Abstreifer am Deckel auf die Faserstruktur, die die Abstreifkante des am Deckel montierten Abstreifers passiert der gleiche Druck wirkt wie an der benachbarten Abstreifkante des am Unterteil montierten Abstreifers. Hierdurch wird eine gleichmäßige Imprägnierung der Faserstruktur erhalten.
Damit das überschüssige Matrixmaterial von der Faserstruktur abgestreift wird, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Abstreifer am Unterteil und am Deckel jeweils so dimensioniert sind, dass die Abstreifkante der Abstreifer am Deckel tiefer ist als die Abstreifkante der Abstreifer am Unterteil der Vorrichtung. Auf diese Weise erfolgt immer ein Kämmen der am Deckel montierten Abstreifer zwischen den am Unterteil montierten Abstreifern. Durch eine Höhenverstellung der am Unterteil montierten Abstreifer und/oder der am Deckel montierten Abstreifer kann dann eingestellt werden, wie tief die Abstreifer ineinander kämmen.
Als Material für die Abstreifer eignen sich insbesondere abriebfestes Metall, abriebfester Kunststoff, abriebfeste Keramik oder Glas. Durch den Einsatz eines abriebfesten Materials wird si- chergestellt, dass keine vom Abstreifer abgetragenen Partikel als Fremdstoffe in die getränkte Faserstruktur gelangen. Zudem wird hierdurch verhindert, dass sich die Abstreifkanten im Laufe des Betriebs durch Abrieb verformen. Hierdurch wird eine gleichmäßige Wirkung der Abstreifer über die gesamte Betriebsdauer erzielt. Besonders bevorzugt als Material für die Abstreifer sind Stahl, Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polytetrafluorethylen (PTFE), Keramik oder Glas.
Unter abriebfest wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass beim Durchlauf von 1000 km der Faserstruktur, insbesondere von Rovings, weniger als 0,1 mm des Materials des Abstreifers durch die durchlaufende Faserstruktur abgetragen werden.
Damit die Faserstruktur beim Einführen in die Vorrichtung nicht geschädigt wird und insbesondere nicht über eine Kante streift, ist es bevorzugt, wenn am Unterteil eine erste Umlenkeinheit vorgesehen ist, über die die Faserstruktur vor dem Eintritt in das Bad geführt wird. Entsprechend ist vorzugsweise eine zweite Umlenkeinheit am Unterteil vorgesehen, über die die ge- tränkte Faserstruktur nach Verlassen des Bades geführt wird. Da die erste Umlenkeinheit und die zweite Umlenkeinheit jeweils am Unterteil vorgesehen sind, kann die Faserstruktur beim Einlegen einfach auf die Umlenkeinheiten gelegt werden. Mit der am Deckel befestigten Umlenkeinheit wird die Faserstruktur dann in das Bad gedrückt, so dass die Faserstruktur über die erste Umlenkeinheit am Unterteil, entlang der Umlenkeinheit am Deckel und über die zweite Umlenkeinheit am Unterteil zur Abtropfeinheit geführt wird. Die erste Umlenkeinheit und die zweite Umlenkeinheit am Unterteil sind dabei so platziert, dass die Umlenkeinheit am Deckel bei der Montage zwischen der ersten Umlenkeinheit am Unterteil und der zweiten Umlenkeinheit am Unterteil positioniert ist. Um bereits beim Verlassen des Bades und vor der Abtropfeinheit überflüssiges Matrixmaterial von den Fasern zu entfernen, ist es weiterhin bevorzugt, wenn am Deckel eine Abstreifwalze montiert ist, die bei montiertem Deckel die Faserstruktur auf die zweite Umlenkeinheit drückt. Die Faserstruktur wird im Betrieb zwischen der zweiten Umlenkeinheit und der Abstreifwalze hindurchgeführt. Da die Abstreifwalze auf die Umlenkeinheit drückt, wird überschüssiges Mat- rixmaterial bereits an dieser Stelle aus der Faserstruktur gedrückt. Die Positionierung der zweiten Umlenkeinheit und der Abstreifwalze führt weiterhin dazu, dass das überschüssige Matrixmaterial direkt in das Bad zurückläuft.
Die erste und die zweite Umlenkeinheit können jeweils unabhängig voneinander eine Stange oder eine drehbare Rolle sein. Ebenso kann die Umlenkeinheit, mit der die Faserstruktur in das Bad gedrückt wird, mindestens einen Stab oder mindestens eine rotierende Rolle umfassen. Wenn die Umlenkeinheit eine Stange ist, so weist diese vorzugsweise nur abgerundete Kanten auf und ist besonders bevorzugt ein Rundstab. Es können für die Umlenkelemente sowohl Stangen als auch drehbare Rollen vorgesehen sein. Bevorzugt ist es jedoch, wenn zumindest die erste und die zweite Umlenkeinheit, die am Unterteil angeordnet sind entweder beide als Stange oder beide als rotierende Rolle ausgebildet sind. Besonders bevorzugt sind alle Umlenkelemente als Stange oder alle Umlenkelemente als drehbare Rolle ausgebildet. Geeignete Materialien für die Umlenkelemente sind die gleichen wie die Materialien für die Abstreifer. Das heißt, dass die Umlenkelemente vorzugsweise aus abriebfestem Metall, abriebfestem Kunststoff, einer abriebfesten Keramik oder aus Glas gefertigt werden und besonders bevorzugt aus Stahl, HDPE, PTFE, Keramik oder Glas sind.
Um die Fasern in das Bad zu drücken kann nur ein Umlenkelement am Deckel vorgesehen sein öder es können mehrere Umlenkelemente am Deckel montiert sein. Hierbei sind alle am Deckel montierten Umlenkelemente so positioniert, dass diese zwischen dem ersten und dem zweiten Umlenkelement am Unterteil positioniert sind, wenn der Deckel geschlossen ist und wenn die Umlenkelemente am Unterteil vorhanden sind.
Damit verhindert wird, dass ein ständiger Luftaustausch durch die Spalte erfolgt, durch die die Fasern im Betrieb geführt werden und so ständig Wasser mit der Luftfeuchtigkeit zugeführt wird oder Matrixmaterial verdunstet und aus der Vorrichtung ausgetragen wird, ist es bevorzugt, wenn am Spalt, durch den die Faserstruktur in die Vorrichtung geführt wird und/oder am Spalt, durch den die Faserstruktur aus der Vorrichtung austritt eine Dichtlippe vorgesehen ist. Die Dichtlippe kann dabei aus jedem beliebigen geeigneten Material gefertigt sein, insbesondere einem Elastomermaterial, wie es üblicherweise für Dichtungen eingesetzt wird. Die Verwendung des Elastomermaterials sichert, dass sowohl die noch nicht imprägnierte Faserstruktur beim Einlass in die Vorrichtung als auch die imprägnierte Faserstruktur beim Verlassen der Vorrichtung nicht durch die Dichtlippe geschädigt werden.
Um zu verhindern, dass Matrixmaterial mit Komponenten aus der Umgebungsluft, insbesondere in der Luft enthaltenem Wasser reagieren und dabei aushärten kann, ist es weiterhin bevorzugt, wenn ein Zulauf und ein Ablauf für ein Spülgas umfasst sind. Mit dem Spülgas kann die Atmosphäre oberhalb des Matrixmaterials entfernt und durch das Spülgas ausgetauscht werden. Geeignete Spülgase sind abhängig vom eingesetzten Matrixmaterial. So wird zum Beispiel bei Matrixmaterialien, die mit Wasser reagieren ein wasserfreies Spülgas eingesetzt. Hierzu eignen sich zum Beispiel trockene Luft oder auch ein trockenes Inertgas wie Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas. Inertgase eignen sich auch dann, wenn das Matrixmaterial mit anderen Komponenten der Luft, beispielsweise dem darin enthaltenen Sauerstoff, reagieren kann. Wenn im Unterschied dazu verhindert werden soll, dass Matrixmaterial verdunstet kann zum Beispiel ein Spülgas eingesetzt werden, das mit den Komponenten des Matrixmaterials, die verdunsten können, gesättigt ist.
Zur Herstellung eines Bauteils wird ein Verfahren eingesetzt, das folgende Schritte umfasst:
(a) Imprägnieren einer Faserstruktur mit einem Matrixmaterial in einer wie vorstehend beschriebenen Vorrichtung,
(b) Formen der getränkten Faserstruktur zu einem Bauteil.
Die zu imprägnierende Faserstruktur wird dabei vorzugsweise einem Vorrat, beispielsweise einer Rolle, auf die die Faserstruktur aufgewickelt ist, entnommen. Um die Vorrichtung zur Imprägnierung sinnvoll betreiben zu können, ist die zu imprägnierende Faserstruktur eine „End- losstruktur", das heißt, dass die Faserstruktur im Prinzip eine unbegrenzte Länge aufweisen kann und eine endliche Länge sich lediglich aus der Notwendigkeit ergibt, dass nicht beliebig lange Faserstrukturen in dem Vorrat enthalten sein können. Vorzugsweise sind die Faserstrukturen dann so gestaltet, dass bei Erreichen des Endes einer Struktur eine nachfolgende neue Struktur auf einfache Weise mit der bisherigen Struktur verbunden werden kann, bei Einsatz von Endlosfasern als Faserstruktur zum Beispiel durch Verknoten. Faserstrukturen, die imprägniert werden können, sind zum Beispiel Vliese, Gewebe, Gestricke, Einzelfasern oder Rovings.
Bevorzugt ist es, wenn die Faserstruktur Rovings umfasst. Diese werden besonders bevorzugt nach dem Tränken in Schritt (b) in einem Nasswickelverfahren zu einem Bauteil aufgewickelt. Bauteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren so hergestellt werden können, sind zum Beispiel Rohre, Masten oder Tanks jeder beliebigen Art und Größe.
Um eine ausreichende Festigkeit des Bauteils zu erhalten ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Faserstruktur Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, synthetische Fasern, beispielsweise Polymerfasern oder Naturfasern enthält. Hierbei kann die Faserstruktur unterschiedliche Fasern enthalten. Die Auswahl der Fasern ergibt sich dabei insbesondere aus den mechanischen Anforderungen an das Bauteil. Üblich ist es jedoch, dass keine unterschiedlichen Fasern sondern nur Fasern aus einem Material eingesetzt werden. Besonders bevorzugt enthält die Faserstruk- tur Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern.
Das Matrixmaterial, mit dem die Fasern imprägniert werden kann jedes beliebige thermoplastische Polymer sein oder Edukte zur Herstellung eines duroplastischen oder thermoplastischen Polymers enthalten, wobei die Edukte in flüssiger oder gelöster Form vorliegen müssen. Wenn das Matrixmaterial ein thermoplastisches Polymer ist, so liegt dieses zum Beispiel als Schmelze vor. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Matrixmaterial Edukte zur Herstellung des Polymers in Form einer Monomerlösung, Oligomerlösung, Monomerschmelze oder Oligomer- schmelze enthält, die dann zum gewünschten Polymer reagieren. Wenn die Faserstruktur mit einem duroplastischen Polymer imprägniert werden soll, enthält das Matrixmaterial immer Eduk- te zur Herstellung des gewünschten duroplastischen Polymers. Zusätzlich kann das Matrixmaterial übliche Katalysatoren enthalten. Edukte zur Herstellung des Polymers sind im Allgemeinen Monomere oder Oligomere, aus denen das Polymer aufgebaut ist. Wenn ein duroplastisches Polymer hergestellt werden soll, so können die Edukte auch bereits als Polymere vorliegen, die zum Duroplasten weiterreagieren.
Zur Einstellung der Eigenschaften des Bauteils kann das Matrixmaterial zudem Additive enthalten. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um Weichmacher, Schlagzähmodifizierer,
UV-Stabilisatoren, Flammschutzmittel und beliebige andere, dem Fachmann bekannte Additive, die üblicherweise zur Modifikation von Polymeren eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt ist das Matrixmaterial ausgewählt aus ungesättigten Polyesterharzen (UP), Vinylestern (VE), Epoxidharzen (EP) und Polyurethanen (PUR) und deren Edukten. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Nasswickelverfahrens,
Figur 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Imprägnierung einer
Faserstruktur mit geöffnetem Deckel,
Figur 3 eine Schnittansicht der Vorrichtung gemäß Figur 2 mit geschlossenem Deckel,
Figuren 4 bis 7 Schnittansichten von unterschiedlichen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 1 zeigt ein Nasswickelverfahren, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Imprägnierung einer Faserstruktur zum Einsatz kommen kann, in einer Prinzipdarstellung. Zur Herstellung von Bauteilen in einem Nasswickelverfahren wird eine Faserstruktur 1 , in der hier dargestellten Ausführungsform Rovings, aus einem Vorrat 3, hier einem Spulengestell, einem Bad 5 zugeführt. Vor Eintritt in das Bad 5 werden die Rovings durch Kämme 7 geleitet, in denen die Rovings voneinander getrennt werden, damit diese im Bad 5 rundum mit dem Matrixmaterial in Kontakt kommen und so gleichmäßig imprägniert werden. An das Bad 5 schließt sich ein Abstreifwalzenpaar 9 an durch das die im Bad 5 imprägnierten Rovings geführt werden. Am Abstreifwalzenpaar 9 wird überschüssiges Matrixmaterial von den imprägnierten Rovings entfernt. Abschließend werden die imprägnierten Rovings durch einen Führungsring 1 1 geführt und auf eine Spindel 13 gewickelt. Hierdurch wird ein rotationssymmetrisches Bauteil 15 erzeugt. Um eine gleichmäßige Wicklung des imprägnierten Rovings 1 auf der Spindel 13 zu er- halten ist der Führungsring 1 1 beweglich und kann, wie hier mit Pfeilen dargestellt parallel zur Achse der Spindel 1 1 bewegt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Imprägnierung einer Faserstruktur ist in Schnittansicht in Figur 2 dargestellt.
Eine Vorrichtung, in der die Faserstruktur 1 , beispielsweise die Rovings, mit Matrixmaterial imprägniert werden können, umfasst ein Unterteil 21 und einen Deckel 23. Im Unterteil 21 befindet sich das Bad 5 mit dem Matrixmaterial, mit dem die Faserstruktur 1 getränkt werden soll. In Bewegungsrichtung der Faserstruktur 1 schließt sich an das Bad 5 eine in Richtung des Bades geneigte Fläche 25 an. Oberhalb der geneigten Fläche 25 sind am Unterteil 21 Abstreifer 27 mit jeweils einer Abstreifkante 29 angeordnet. Im laufenden Betrieb wird die Faserstruktur 1 über die Abstreifkante 29 geführt und überschüssiges Matrixmaterial von der Faserstruktur 1 ent- fernt. Durch die Positionierung der Abstreifer 27 oberhalb der geneigten Fläche fließt das abgestreifte Matrixmaterial zurück in das Bad 5.
Am Deckel 23 sind Abstreifer 31 angebracht, die vorzugsweise höhenverstellbar sind. Die Ab- streifer 31 am Deckel 23 sind dabei vorzugsweise so positioniert, dass diese zwischen den Abstreifern 27 am Unterteil 21 kämmen. Am Deckel 23 ist weiterhin eine Umlenkeinheit 33 montiert, mit der die Faserstruktur 1 bei geschlossenem Deckel 23 in das Bad 5 gedrückt wird. Dies ist in Figur 3 dargestellt. Hier kann auch entnommen werden, dass die Abstreifer 27, die am Unterteil 21 befestigt sind, zwischen den Abstreifern 31 , die am Deckel 23 montiert sind, käm- men. Hierdurch wird der Faserstruktur 1 ein leichter Zick-Zack-Verlauf aufgeprägt
Damit die Faserstruktur 1 vor Eintritt in das Bad 5 und nach dem Verlassen des Bades 5 nicht an Kanten am Unterteil geschädigt wird, sind in der hier dargestellten Ausführungsform eine erste Umlenkeinheit 35 und eine zweite Umlenkeinheit 37 am Unterteil 21 vorgesehen. Im Be- trieb läuft die Faserstruktur 1 durch einen Spalt 39 zwischen Unterteil 21 und Deckel 23 in die Vorrichtung zur Imprägnierung von Fasern, wird über die erste Umlenkeinheit 35 am Unterteil 21 geführt. Anschließend läuft die Faserstruktur 1 entlang der Umlenkeinheit 33, die am Deckel 23 montiert ist und mit der die Faserstruktur 1 in das Bad 5 getaucht wird. An die Umlenkeinheit 33 schließt sich die zweite Umlenkeinheit 37 an, über die die Faserstruktur 31 geführt wird, be- vor diese den Abstreifern 27, 31 zugeführt wird, an denen das überschüssige Matrixmaterial entfernt wird. Durch einen zweiten Spalt 41 verlässt die getränkte Faserstruktur dann die Vorrichtung und kann einer Weiterverarbeitung, zum Beispiel der Spindel 13 eines Nasswickelverfahrens, zugeführt werden. Alternativ zu Bauteilen, die im Nasswickelverfahren hergestellt werden, können aus der imprägnierten Faserstruktur jedoch auch beliebige andere, zum Beispiel auch flächige Bauteile hergestellt werden. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, die getränkte Faserstruktur, insbesondere wenn es sich hierbei um ein Vlies, ein Gestrick oder ein Gewebe handelt, auf eine gewünschte Länge abzuschneiden und in einer geeigneten Form zum gewünschten Bauteil zu formen. Bevorzugt ist jedoch die Zufuhr zu einer Spindel 13 eines Nasswickelverfahrens.
Durch das Eintauchen der Faserstruktur 1 in das Bad 5 haften in der Regel große Mengen an Matrixmaterial an der Faserstruktur 1 , wenn diese das Bad 5 verlässt. Um einen ersten Über- schuss an Matrixmaterial zu entfernen ist es bevorzugt, wenn - wie hier dargestellt - eine Abstreifwalze 43 umfasst ist, die bei geschlossenem Deckel 23 an der zweiten Umlenkeinheit 37 anliegt. Die getränkte Faserstruktur wird dann zwischen der zweiten Umlenkeinheit 37 und der Abstreifwalze 43 hindurchgeführt.
Durch Einstellung der Höhe der am Deckel 23 montierten Abstreifer 31 kann der Druck eingestellt werden, mit dem die Abstreifer 27, 31 auf die getränkte Faserstruktur 1 wirken. Hierdurch kann gezielt eingestellt werden, wieviel Matrixmaterial die getränkte Faserstruktur 1 enthalten soll. Bei einem höheren Druck, der erzielt wird, indem die am Deckel 23 befestigten Abstreifer 31 tiefer zwischen den Abstreifern 27 am Unterteil 21 kämmen, wird mehr Matrixmaterial aus der getränkten Faserstruktur 1 gepresst, so dass diese insgesamt weniger Matrixmaterial ent- hält als bei einer Einstellung der Abstreifer 31 derart, dass diese weniger tief zwischen den Abstreifern 27 am Unterteil 21 kämmen und der Druck auf die Faserstruktur somit geringer ist.
Sowohl die am Deckel 23 montierte Umlenkeinheit 33 als auch die erste Umlenkeinheit 35 und die zweite Umlenkeinheit 37 am Unterteil 21 können jeweils unabhängig voneinander in Form einer Stange oder als drehbare Rolle ausgebildet sein. Wenn eine Umlenkeinheit 33, 35, 37 als Stange ausgebildet ist, so weist diese zumindest in dem Bereich, in dem ein Kontakt mit der Faserstruktur 1 erfolgt, vorzugsweise nur abgerundete Kanten auf und ist insbesondere ein Rundstab.
Die eingesetzten Abstreifer 27, 31 können jede beliebige, dem Fachmann für Abstreifer bekannte Form annehmen. Auch können die Abstreifer in einer von 90° zur Faserstruktur 1 abweichenden Richtung ausgerichtet sein. Bei der Form und Ausrichtung der Abstreifer ist nur darauf zu achten, dass hierdurch die getränkte Faserstruktur 1 nicht geschädigt wird. Die Abstreifer können dabei so gestaltet und ausgerichtet sein, wie es bereits derzeit bei Bädern zum Tränken von Faserstrukturen üblich ist.
In den Figuren 4 bis 6 sind alternative Ausführungsformen zur Gestaltung der am Deckel 23 montierten Umlenkeinheit 33 dargestellt. Der restliche Aufbau der Vorrichtung zum Imprägnie- ren von Faserstrukturen entspricht der der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsform.
Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform umfasst die Umlenkeinheit 33 eine erste am Deckel 23 montierte Umlenkeinheit 45 und eine zweite am Deckel 23 montierte Umlenkeinheit 47. Auch hier ist es möglich, dass die erste am Deckel 23 montierte Umlenkeinheit 45 und die zweite am Deckel 23 montierte Umlenkeinheit als Stange oder als drehbare Rolle ausgebildet sind. Die Position der ersten am Deckel 23 montierten Umlenkeinheit 45 und der zweiten am Deckel 23 montierten Umlenkeinheit 47 ist so dass beide Umlenkeinheiten 45, 47 bei geschlossenem Deckel 23 zwischen der ersten Umlenkeinheit 35 und der zweiten Umlenkeinheit 37 po- sitioniert sind.
Durch die erste am Deckel 23 montierte Umlenkeinheit 45 und die zweite am Deckel 23 montierte Umlenkeinheit 47 kann die Strecke, die die Faserstruktur im Bad 5 zurücklegt verlängert und damit die Verweilzeit der Faserstruktur im Bad 5 bei gleicher Geschwindigkeit im Vergleich zu nur einer Umlenkeinheit, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, erhöht werden.
Es können auch noch mehr als drehbare Rolle oder Stange ausgebildete Umlenkeinheiten am Deckel 23 vorgesehen sein, dies ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn diese jeweils mit der Faserstruktur 1 in Kontakt sind und die Strecke, die die Faserstruktur 1 im Bad 5 zurücklegt weiter verlängert wird.
Alternativ zu weiteren Umlenkeinheiten am Deckel 23 ist es auch möglich, zur Verlängerung der Strecke im Bad 5 und gegebenenfalls zur Verbesserung der Imprägnierung eine zusätzliche Umlenkeinheit 49 im Bad 5 vorzusehen. Diese befindet sich, wie in Figur 5 dargestellt zwischen der ersten am Deckel 23 montierten Umlenkeinheit 45 und der zweiten am Deckel 23 montierten Umlenkeinheit 47. Durch die im Bad angeordnete zusätzliche Umlenkeinheit 49 wird die Faserstruktur gegen die am Deckel montierten Umlenkeinheiten 45, 47 gedrückt und erfährt gleichzeitig auch einen Druck an der zusätzlichen Umlenkeinheit 49. Hierdurch wird insbesondere dann, wenn die Faserstruktur ein Vlies, Gewebe oder Gestrick ist oder auch dann wenn mehrere Fasern zu einem Roving verbunden sind, Matrixmaterial zwischen die Fasern gedrückt und gegebenenfalls zwischen den Fasern enthaltene Gaspolster werden herausgedrückt. Hierdurch wird eine gleichmäßige und vor allem auch vollständige Imprägnierung erzielt.
Neben einzelnen Stangen oder drehbaren Rollen, wie es in den Figuren 2 bis 5 dargestellt ist, kann die Umlenkeinheit 33 auch in Form eines Stempels mit einer strukturierten Oberfläche ausgebildet sein. Dies ist beispielhaft für eine Umlenkeinheit mit einer wellenförmigen Oberfläche in Figur 6 dargestellt. Die Struktur der Oberfläche kann jedoch auch jede beliebige andere Form annehmen. Zu beachten ist nur, dass die Faserstruktur durch die Struktur der Oberfläche der als Stempel ausgebildeten Umlenkeinheit 33 nicht geschädigt wird.
Eine Ausführungsform mit einer alternativen Gestaltung der Abtropfeinheit ist in Figur 7 dargestellt.
Im Unterschied zu den in den Figuren 2 bis 6 dargestellten Ausführungsformen ist hier die Abtropfeinheit nicht mit ineinander kämmenden Abstreifern 27, 31 gestaltet.
Bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform sind in der Abtropfeinheit am Unterteil 21 Um- lenkeinheiten 51 , beispielsweise als Stange oder drehbare Rolle, vorgesehen und am Deckel 23 höhenverstellbare Abstreifer 53. Die Faserstruktur 1 wird zwischen den Umlenkeinheiten 51 und den Abstreifern 53 hindurchgeführt, wobei die Faserstruktur 1 mit den Umlenkeinheiten 51 gegen die Abstreifer 53 gedrückt wird. Die Abstreifer 53 können in ihrer Höhe verstellt werden, so dass diese mit einem einstellbaren Druck gegen die Umlenkeinheiten 51 gedrückt werden können. Hierdurch lässt sich die Menge an Matrixmaterial in der getränkten Faserstruktur einstellen. Zwischen den Abstreifern 53 ist eine weitere Umlenkeinheit 55 am Deckel montiert. Mit dieser wird sichergestellt, dass die Faserstruktur 1 auch dann, wenn ein Spalt zwischen Umlenkeinheit 51 und Abstreifer 53 ist, gegen die Umlenkeinheiten 51 gedrückt wird. In allen Ausführungsformen ist es möglich, im Bereich der Spalte 39, 41 , durch die die Faserstruktur in die Vorrichtung geführt wird beziehungsweise die getränkte Faserstruktur aus der Vorrichtung, Dichtelemente vorzusehen, um die Vorrichtung gegen eindringende Umgebungsluft abzudichten. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn als Matrixmaterial ein Polymer beziehungsweise eine Polymervorläuferverbindung eingesetzt wird, die mit einem Luftbestand- teil, beispielsweise in der Luft enthaltenem Wasser, chemisch reagiert. Zusätzlich können ein Zulauf und ein Ablauf für ein Spülgas vorgesehen sein, um den Gasraum oberhalb des Bades mit dem Spülgas zu spülen. In allen hier dargestellten Ausführungsformen erlaubt die Vorrichtung zur Imprägnierung einer Faserstruktur eine einfache Inbetriebnahme. Unabhängig davon, ob bereits Matrixmaterial im Bad 5 enthalten ist oder nicht, ist es möglich, bei geöffnetem Deckel 23 die Faserstruktur 1 einfach aufzulegen. Durch die Umlenkeinheiten und Abstreifer am Deckel 23 wird die Faserstruktur gegen die entsprechenden Umlenkeinheiten und Abstreifer am Unterteil 21 und in das Bad 5 gedrückt und nimmt so den vorgesehen Weg ein. Ein kompliziertes Einfädeln der Faserstruktur oder ein Ablassen des Matrixmaterials aus dem Bad, um die Faserstruktur um eine Walze herumzulegen ist daher mit der hier beschriebenen Vorrichtung nicht erforderlich. Auf entsprechen einfache Weise kann auch beim Abschalten die Faserstruktur nach dem Öffnen des Deckels 23 wieder entnommen werden.
Zusätzlich ist es auf einfache Weise möglich, bei Bedarf durch Entnahme und Austausch des Unterteils 21 entweder ein anderes Matrixmaterial vorzulegen oder auch bei Bedarf ein Unterteil 21 zur Reinigung oder Entsorgung zu entnehmen und durch ein neues Unterteil 21 zu ersetzen. Hierdurch ist es insbesondere auch möglich, die Vorrichtung auch bei einer erforderlichen Reinigung des Bades weiter zu betreiben, indem einfach ein neues Unterteil eingesetzt wird, während das vorherige gereinigt wird.
Bezugszeichenliste
1 Faserstruktur
3 Vorrat
5 Bad
7 Kamm
9 Abstreifwalzenpaar
1 1 Führungsring
13 Spindel
15 Bauteil
21 Unterteil
23 Deckel
25 geneigte Fläche
27 Abstreifer
29 Abstreifkante
31 Abstreifer
33 Umlenkeinheit
35 erste Umlenkeinheit am Unterteil 21
37 zweite Umlenkeinheit am Unterteil 21
39 Spalt
41 zweiter Spalt
43 Abstreifwalze
45 erste am Deckel 23 montierte Umlenkeinheit
47 zweite am Deckel 23 montierte Umlenkeinheit
49 zusätzliche Umlenkeinheit im Bad 5
51 Umlenkeinheit

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Imprägnierung von Faserstrukturen (1 ) mit einem Matrixmaterial umfassend ein Unterteil (21 ) mit einem Bad (5) zur Aufnahme des Matrixmaterials und einer Abtropfeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtropfeinheit mindestens einen Abstreifer (27) mit einer Abstreifkante (29) umfasst, über die die getränkte Faserstruktur (1 ) im Betrieb geführt wird und eine in Richtung des Bades geneigte Fläche (25), über die von der Faserstruktur (1 ) abtropfendes Matrixmaterial in das Bad (5) zurücklaufen kann, sowie einen Deckel (23), an dem eine Umlenkeinheit (33) montiert ist, mit der die Faserstruktur (1 ) bei montiertem Deckel (23) in das Bad (5) gedrückt wird, wobei bei montiertem Deckel (23) zwischen dem Deckel (23) und dem Unterteil (21 ) an den Seiten, durch die die Faserstruktur (1 ) in die Vorrichtung geführt wird und aus der Vorrichtung austritt, jeweils ein Spalt (39, 41 ) ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am Deckel (23) mindestens ein Abstreifer (31 ) montiert ist, der bei montiertem Deckel (23) von oben mit einer Abstreifkante auf die getränkte Faserstruktur (1 ) drückt, wobei vorzugsweise mindestens ein am Deckel (23) montierter Abstreifer (31 ) höhenverstellbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifer (27, 31 ) am Deckel (23) und am Unterteil (21 ) in Förderrichtung der Faserstruktur (1 ) versetzt zueinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Abstreifer (27, 31 ) am Unterteil (21 ) und am Deckel (23) jeweils so dimensioniert sind, dass die Abstreifkante der Abstreifer (31 )am Deckel (23) tiefer ist als die Abstreifkante (29) der Abstreifer (27) am Unterteil (21 ) der Vorrichtung.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifer (27, 31 ) jeweils aus einem abriebfesten Metall, einem abriebfesten Kunststoff, Keramik oder Glas gefertigt sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Unterteil (21 ) eine erste Umlenkeinheit (35) vorgesehen ist, über die die Faserstruktur (1 ) vor dem Eintritt in das Bad (5) geführt wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Umlenkeinheit (37) am Unterteil (21 ) vorgesehen ist, über die die getränkte Faserstruktur (1 ) nach Verlassen des Bades (5) geführt wird, wobei vorzugsweise am Deckel (23) eine Abstreifwalze (43) montiert ist, die bei montiertem Deckel (23) die Faserstruktur (1 ) auf die zweite Umlenkeinheit (37) drückt.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Umlenkeinheit (35) und die zweite Umlenkeinheit (37) unabhängig voneinander jeweils eine Stange oder eine drehbare Rolle sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Umlenkeinheit (35) und die zweite Umlenkeinheit (37) jeweils unabhängig voneinander aus einem abriebfesten Metall, einem abriebfesten Kunststoff, einer Keramik oder Glas gefertigt sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Spalt (39), durch den die Faserstruktur (1 ) in die Vorrichtung geführt wird und/oder am Spalt (41 ), durch den die Faserstruktur (1 ) aus der Vorrichtung austritt eine Dichtlippe vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit (33), mit der die Faserstruktur (1 ) in das Bad (5) gedrückt wird, mindestens einen Stab oder mindestens eine rotierende Rolle umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Zulauf und ein Ablauf für ein Spülgas umfasst sind.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (15), folgende Schritte umfassend:
(a) Imprägnieren einer Faserstruktur (1 ) mit einem Matrixmaterial in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
(b) Formen der getränkten Faserstruktur (1 ) zum Bauteil (15).
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (1 ) Ro- vings umfasst.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserstruktur (1 ) Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ausgewählt ist aus ungesättigten Polyesterharzen, Vinylestern, Epoxidh zen und Polyurethanen und deren Edukten.
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