WO2024002422A1 - Verfahren und vorrichtung zur schmelzimprägnierung von fasern mit thermoplastischer matrix - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur schmelzimprägnierung von fasern mit thermoplastischer matrix Download PDF

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WO2024002422A1
WO2024002422A1 PCT/DE2023/100484 DE2023100484W WO2024002422A1 WO 2024002422 A1 WO2024002422 A1 WO 2024002422A1 DE 2023100484 W DE2023100484 W DE 2023100484W WO 2024002422 A1 WO2024002422 A1 WO 2024002422A1
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WO
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metal sheet
fibers
impregnation
fibres
thermoplastic matrix
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PCT/DE2023/100484
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Donhauser
Andreas Kenf
Sebastian Schmeer
Original Assignee
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B15/00—Pretreatment of the material to be shaped, not covered by groups B29B7/00 - B29B13/00
    • B29B15/08—Pretreatment of the material to be shaped, not covered by groups B29B7/00 - B29B13/00 of reinforcements or fillers
    • B29B15/10—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step
    • B29B15/12—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step of reinforcements of indefinite length
    • B29B15/122—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step of reinforcements of indefinite length with a matrix in liquid form, e.g. as melt, solution or latex

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for melt impregnation of fibers with a thermoplastic matrix.
  • thermoplastic matrix Numerous processes are known for impregnating fibers with a thermoplastic matrix. These can be divided into the following groups:
  • Powder impregnation The fanned out fibers are brought into contact with a powder (e.g. through a fluidized bed or electrostatic dispersion). The powdered fibers are then guided through a heating section and consolidated into the fiber matrix semi-finished product using downstream cooling rollers.
  • the main problem with this process is that the grain size of the powder must approximately correspond to the fiber diameter (e.g. around 6 m for carbon fibers) in order to achieve good impregnation. Procuring polymers of this fineness is usually associated with high costs and is sometimes not technically possible.
  • Impregnation is carried out by reducing the polymer viscosity using solvents, which diffuse out of the finished semi-finished product after the impregnation process. This process only works for thermoplastics such as PC, PSU, PES or PEI.
  • Film impregnation Plastic fibers and films are pressed together under temperature and pressure. The fiber volume content can be adjusted by varying the number and thickness of the films. The process enables fibers to be impregnated with very high quality. However, not every plastic is available on the market or can be produced as a film of any thickness, so this process has limitations in terms of applicability.
  • Hybrid fiber technology The reinforcing fibers are spun together with plastic fibers in a mixed roving (also known as mixed yarn or commingled yarn). When the roving is processed, the plastic fiber is melted and thus impregnates the reinforcing fibers. Here too, similar to film impregnation, it is necessary that the plastic fibers have approximately the same diameter as the reinforcing fibers, otherwise complete impregnation is not possible.
  • Melt impregnation The rovings are pulled from a spool holder, spread and then impregnated with a molten matrix. There are a variety of constructive solutions to liquefy the thermoplastic matrix and ultimately feed it into the dry fibers.
  • Waste The known processes usually involve a process-related waste, as impregnation is not possible consistently across the bandwidth. A semi-finished fiber product is impregnated over a large area in a continuous process. Edge areas with different cavity conditions and therefore impregnation qualities are usually cut off afterwards.
  • Impregnation takes place through the contact of the dry fibers with the plastic-wetted metal foam. This procedure has shown promising results in practice.
  • the invention is based on the object of creating a method and a device for impregnating dry fibers with a highly viscous, thermoplastic matrix.
  • This object is achieved in a method according to the invention in that the fibers are guided over a bent, perforated metal sheet as an impregnation section while applying a contact pressure, the highly viscous, thermoplastic matrix passing through the perforations of the metal sheet in order to then impregnate the fibers.
  • Suitable fibers used in the process according to the invention are all organic or inorganic fibers suitable for material reinforcement, for example carbon, glass or polyamide fibers.
  • the perforated metal sheet is not flat, but integrated into the impregnation unit in a curved shape.
  • the bevels can be present as fiber bundles or as individual fibers and move over the metal sheet under longitudinal tensile stress. This creates a sinusoidal contact pressure distribution between the fibers and the metal sheet.
  • the highly viscous, thermoplastic matrix emerges through the perforations and coats the fibers evenly.
  • the perforation geometry can be flexibly tailored to the respective fiber-matrix combination depending on the matrix viscosity, for example using numerical flow simulation.
  • the curved metal sheet requires only a small amount of installation space and thus enables a compact design of the device.
  • a preferred embodiment of the invention is that the perforation pattern of the metal sheet is determined by numerical fluid simulation.
  • a targeted pressure ratio can be set when impregnating the fibers.
  • the object of the invention is achieved in a device according to the invention in that a bent, perforated metal sheet is provided as an impregnation section over which the fibers can be guided while applying a contact pressure, the highly viscous, thermoplastic plastic matrix being able to be guided through the perforations of the metal sheet in order to then impregnate the fibers.
  • two or more metal sheets are provided instead of one. These can be arranged either next to each other or in a stacked form.
  • opening contours for the plastic outlet can be realized, which otherwise cannot be implemented in terms of production technology or can only be implemented with great effort.
  • the metal sheets consist of the same material or different materials and/or have different stiffnesses and/or have different wall thicknesses.
  • metal sheets made from the same material as well as metal sheets made from different materials. By using metal sheets with materials of different stiffness, a sealing effect can be created in the contact surfaces of the impregnation tool.
  • the metal sheets can also have different wall thicknesses.
  • An advantageous embodiment of the invention is that a lateral limitation of the impregnation section is provided.
  • a further development of the invention is that a hinge pin clamp is provided to seal the metal sheet from the tool, which presses the metal sheet against a carrier tool with a curved shape.
  • hinge pin clamp is milled out in the middle.
  • the hinge pin clamp thus simultaneously represents a lateral delimitation of the impregnation section. This allows functional integration of the holder of the sheet metal holder and limitation of the impregnation section to be achieved in one component.
  • the carrier tool is designed in two parts.
  • this carrier tool In addition to holding the perforated metal sheet, this carrier tool also serves to feed the highly viscous, thermoplastic matrix.
  • the carrier tool advantageously has a matrix feed and an associated distribution channel on which the bent metal sheet is arranged.
  • a take-off unit is preferably arranged at the end of the impregnation section and serves to calibrate the thickness of the fiber-matrix composite.
  • the thickness of the fiber-matrix composite can therefore be variably adjusted.
  • This extraction unit generates a circulation of the matrix before it leaves the impregnation section, which additionally increases the impregnation performance and the quality of the surface.
  • Fig. 2 shows the production and functionality of the bent metal sheet
  • Fig. 6 is a sectional view (XY plane) of the impregnation device according to Figure 3 with a take-off unit.
  • Fig. 1a shows a schematic representation of the impregnation process.
  • the dry fibers 1 continue to move in the direction of the image plane (x direction) continuously on the metal sheet 2 (shown here for simplicity), while a highly viscous, thermoplastic matrix passes through the perforations 3 of the metal sheet 2, with which the fibers 1 are impregnated .
  • the perforation shown does not correspond to the actual dimensions.
  • the diameter of the individual perforations is - depending on the viscosity of the plastic matrix - between 10 and 500 pm, preferably between 15 and 300 pm and particularly preferably between 20 and 150 pm.
  • two or more metal sheets 2 can also be stacked one on top of the other. This makes it possible to create opening contours for the plastic outlet that would otherwise not be feasible in terms of production technology.
  • Fig. 2 shows the production and functionality of the bent metal sheet 2.
  • the opening contours in the metal sheet can be circular as well as a rectangular or any polygonal contour and - in accordance with the sinusoidal contact pressure distribution - have different dimensions and arrangements on the metal sheet (Fig. 2b).
  • the impregnation pressure is controlled by the perforation pattern, which is preferably determined by numerical fluid simulation. Afterwards it will be Metal sheet 2 bent into a circular segment shape (Fig. 2c), for example by roll bending. Fig. 2d shows schematically the fiber impregnation.
  • the fibers 1 move over the perforated metal sheet 2 under longitudinal tensile stress, creating a sinusoidal contact pressure distribution between the fibers 1 and the metal sheet 2.
  • the liquid plastic emerges through the perforations 3.
  • a targeted pressure ratio can be set when impregnating the fibers 1.
  • 3 to 5 show an impregnation device according to the invention.
  • a specially developed hinge pin clamp 5 is used. This presses the metal sheet 2 against the carrier tool 4 and thus ensures that no plastic can escape radially.
  • the special feature of this solution is that the joint bolt clamp 5 is also milled out in the middle and therefore simultaneously represents the lateral boundary of the impregnation section. This allows functional integration of sheet metal holder and limitation of the impregnation section to be achieved in one component.
  • the carrier tool 4 is designed in two parts and, in addition to holding the perforated metal sheet 2, is responsible for feeding the highly viscous, thermoplastic matrix. Through a stepped contour of the matrix feed 6, the highly viscous, thermoplastic matrix is fed from an extruder to the carrier tool 4 and distributed evenly below the perforated metal sheet 2 via a distribution channel 7.
  • the carrier tool 4 serves as a holder for various sensors (e.g.
  • the dry fibers 1 are guided onto the carrier tool 4 via a deflection roller 8, then run in a semicircle over the perforated metal sheet 2, whereby they are impregnated with the high-viscosity, thermoplastic matrix emerging from the perforations 3 and then leave as an impregnated fiber-matrix semi-finished product 9 the carrier tool 4.
  • a take-off unit 10 is arranged at the end of the impregnation section, which serves to calibrate the thickness of the fiber-matrix composite.
  • the thickness of the fiber-matrix composite can therefore be adjusted variably.
  • This extraction unit 10 generates a circulation of the matrix before it leaves the impregnation section, which additionally increases the impregnation performance and the quality of the surface.
  • a closed cavity In combination with lateral boundaries of the impregnation section, a closed cavity can be created.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)

Abstract

Um ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um trockene Fasern mit hochviskoser, thermoplastischer Matrix zu tränken, wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, dass die Fasern unter Aufbringung eines Kontaktdrucks über ein gebogenes, perforiertes Metallblech als Imprägnierstrecke geführt werden, wobei die hochviskose, thermoplastische Kunststoffmatrix durch die Perforationen des Metallblechs durchtritt, um anschließend die Fasern zu imprägnieren. Das Metallblech ist nicht eben, sondern in einer gebogenen Form in die Imprägniereinheit integriert. Durch das Umlenken der Fasern, die als Faserbündel oder als Einzelfaser vorliegen können, um das gebogene Metallblech kann der notwendige Kontaktdruck zwischen den Fasern und der Kunststoffzuführung erzeugt werden. Die Fasern bewegen sich somit unter Längszugbeanspruchung über das perforierte Metallblech, wobei eine sinusförmige Kontaktdruckverteilung zwischen den Fasern und dem Metallblech entsteht. Die hochviskose, thermoplastische Matrix tritt durch die Perforationen aus und umhüllt die Fasern gleichmäßig.

Description

BESCHREIBUNG
Verfahren und Vorrichtung zur Schmelzimprägnierung von Fasern mit thermoplastischer Matrix
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schmelzimprägnierung von Fasern mit thermoplastischer Matrix.
Es sind zahlreiche Verfahren zur Imprägnierung von Fasern mit thermoplastischer Matrix bekannt. Diese können in folgende Gruppen unterteilt werden:
• Pulverimprägnierung: Die aufgefächerten Fasern werden mit einem Pulver in Kontakt gebracht (z.B. durch ein Wirbelbett oder elektrostatische Dispersion). Anschließend werden die bepulverten Fasern durch eine Heizstrecke geführt und mittels nachgelagerter Abkühlwalzen zum Faser-Matrix-Halbzeug konsolidiert. Hauptproblem dieses Verfahrens ist es, dass die Korngröße des Pulvers in etwa dem Faserdurchmesser entsprechen muss (z.B. etwa 6 m bei Kohlenstofffasern), um eine gute Imprägnierung zu erzielen. Polymere in einer solchen Feinheit zu beschaffen ist meist mit hohen Kosten verbunden und teilweise technisch nicht möglich.
• Lösungsmittelimprägnierung: Die Imprägnierung erfolgt durch Herabsetzen der Polymerviskosität durch Lösungsmittel, die nach dem Imprägnierprozess wieder aus dem fertigen Halbzeug ausdiffundieren. Dieses Verfahren funktioniert lediglich für Thermoplaste, wie PC, PSU, PES oder PEI.
• Folienimprägnierung: Es werden Fasern und Folien aus Kunststoff unter Temperatur und Druck miteinander verpresst. Dabei kann der Faservolumengehalt durch Variation der Anzahl und Dicke der Folien eingestellt werden. Das Verfahren ermöglicht eine Imprägnierung von Fasern mit sehr hoher Qualität. Jedoch ist nicht jeder Kunststoff als Folie in beliebiger Dicke am Markt verfügbar oder herstellbar, so dass dieses Verfahren Einschränkungen bezüglich der Anwendbarkeit aufweist.
• Hybridfasertechnik: Die Verstärkungsfasern werden zusammen mit Kunststofffasern in einem Mischroving versponnen (auch als Mischgarn oder commingled yarn bezeichnet). Beim Verarbeiten des Rovings wird die Kunststoffaser aufgeschmolzen und sorgt somit für die Imprägnierung der Verstärkungsfasern. Auch hier ist es ähnlich wie bei der Folienimprägnierung notwendig, dass die Kunststoffasern in etwa den gleichen Durchmesser wie die Verstärkungsfasern haben, da ansonsten keine vollständige Imprägnierung möglich ist. • Schmelzimprägnierung: Die Rovings werden von einem Spulenhalter gezogen, gespreizt und anschließend mit einer schmelzflüssigen Matrix imprägniert. Es gibt eine Vielzahl an konstruktiven Lösungen, um die thermoplastische Matrix zu verflüssigen und letztlich den trockenen Fasern zuzuführen. Dabei sind die wichtigsten Verfahrensparameter zur Herstellung hochqualitativer Faser-Matrix- Halbzeuge die Viskosität der Schmelze und der wirkende Imprägnierdruck. Um diese Funktionalität zu gewährleisten, sind meist sehr große Anlagen mit dementsprechender Peripherie notwendig, wodurch die Dimension der gesamten Anlage steigt. Daraus resultierend können derzeitige Anlagen zur Imprägnierung von Fasern mit Thermoplasten nur bedingt mit anderen Maschinen (z.B.
Fertigungsanlagen zur Bauteilherstellung) kombiniert werden, was deren Anwendungsgebiet einschränkt.
Alle diese bekannten Lösungen der Schmelzimprägnierung weisen die folgenden Nachteile auf:
• Prozessregelung: Der Imprägnierprozess von Fasern wird mit steigender Matrixviskosität komplexer. Dabei ist eine punktgenaue Temperatur- und Druckregelung über die Imprägnierstrecke entscheidend. In bestehenden Anlagen ist es nicht möglich, die Temperatur- und Druckverhältnisse über die Imprägnierstrecke feinschichtig zu regeln, wodurch die Qualität des Endprodukts (imprägniertes Faserhalbzeug, auch Tape genannt) negativ beeinflusst wird.
• Verschnitt: Die bekannten Verfahren bringen in der Regel einen prozessbedingten Verschnitt mit sich, da die Imprägnierung nicht konstant über die Bandbreite möglich ist. Dabei wird ein Faserhalbzeug großflächig in einem kontinuierlichen Prozess imprägniert. Randbereiche mit unterschiedlichen Kavitätsbedingungen und damit Imprägnierqualitäten werden in der Regel im Nachgang abgeschnitten.
• Bauweise: Herkömmliche Anlagen erlauben keine kompakte Bauweise und damit nur eine bedingte Integration der Technik in bestehende Automatisierungsanlagen (z.B. als Aufsatz für einen Industrieroboter).
• Wartung der Anlage: Ein Säubern der bekannten Anlagen ist meist mit großem Aufwand verbunden. Bei einer Schmelzbadimprägnierung muss beispielsweise die gesamte Anlage aufwendig zerlegt und gereinigt werden. Eine Reinigung über den laufenden Prozess (beispielsweise über ein Reinigungsgranulat) ist hier nicht möglich.
Aus A. Lutz und T. Harmia, „Impregnation techniques for fiber bundles or tows“, Polypropylene, Bd. 2, J. Karger-Kocsis, Hrsg. Dordrecht: Springer Netherlands, 1999, S. 301-306. Doi: 10.1007/978-94-011-4421 -6_43 ist eine Anlage zur Schmelzimprägnierung bekannt, bei der die Fasern wechselseitig über zwei Imprägnierwerkzeuge geführt werden, die aus einem Metallschaum bestehen, der durch seine Porenstruktur durchlässig für flüssigen Kunststoff ist. Mithilfe eines Extruders wird im laufenden Prozess flüssiger Kunststoff in den Kern des Metallschaums eingespritzt und in Richtung der Oberfläche des Metallschaums transportiert. Durch den Kontakt der trockenen Fasern mit dem kunststoffbenetzten Metallschaum findet die Imprägnierung statt. Dieses Verfahren hat vielversprechende Ergebnisse in der Praxis gezeigt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um trockene Fasern mit hochviskoser, thermoplastischer Matrix zu tränken.
Diese Aufgabe wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Fasern unter Aufbringung eines Kontaktdrucks über ein gebogenes, perforiertes Metallblech als Imprägnierstrecke geführt werden, wobei die hochviskose, thermoplastische Kunststoff matrix durch die Perforationen des Metallblechs durchtritt, um anschließend die Fasern zu imprägnieren.
Als in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Fasern kommen alle zur Materialverstärkung geeigneten organischen oder anorganischen Fasern in Frage, beispielsweise Kohlenstoff-, Glas- oder Polyamidfasern.
Das perforierte Metallblech ist nicht eben, sondern in einer gebogenen Form in die Imprägniereinheit integriert. Durch das Umlenken der Fasern um das perforierte, gebogene Metallblech kann der notwendige Kontaktdruck zwischen den Fasern und der Kunststoffzuführung erzeugt werden. Die Fasen können als Faserbündel oder als Einzelfaser vorliegen und bewegen sich unter Längszugbeanspruchung über das Metallblech. Dabei entsteht eine sinusförmige Kontaktdruckverteilung zwischen den Fasern und dem Metallblech. Die hochviskose, thermoplastische Matrix tritt durch die Perforationen aus und umhüllt die Fasern gleichmäßig.
Die Vorteile der Erfindungen sind die Folgenden:
• Die Werkstoff- und Herstellungskosten sind sehr gering (beispielsweise kann die Perforierung des Metallblechs durch Laserbohren erzeugt werden).
• Stahlbleche lassen sich günstig in sehr guter Qualität beschaffen, so dass diese der abrasiven Wirkung der Fasern lange standhalten. Zusätzlich kann eine Randschichthärtung vorgenommen werden, um die Standzeit des Metallblechs zu verlängern. • Die Oberflächenrauhigkeit des Metallblechs kann den jeweiligen Fasern und Prozessparametern angepasst werden, um die Fasern zu schonen.
• Die Perforationsgeometrie kann flexibel an die jeweilige Faser-Matrix-Kombination in Abhängigkeit von der Matrixviskosität abgestimmt werden, beispielsweise mithilfe einer numerischen Strömungssimulation.
• Das gebogene Metallblech benötigt nur einen geringen Bauraum und ermöglicht somit eine kompakte Bauweise der Vorrichtung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Perforationsmuster des Metallblechs durch numerische Fluidsimulation bestimmt wird.
Durch die Abstimmung der Lochgröße, der Lochform und der Anordnung der Perforationen über die Breite des Metallblechs in Abhängigkeit vom Kontaktdruck kann ein gezieltes Druckverhältnis bei der Imprägnierung der Fasern eingestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, dass ein gebogenes, perforiertes Metallblech als Imprägnierstrecke vorgesehen ist, über das die Fasern unter Aufbringung eines Kontaktdrucks führbar sind, wobei die hochviskose, thermoplastische Kunststoff matrix durch die Perforationen des Metallblechs führbar ist, um anschließend die Fasern zu imprägnieren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind statt einem zwei oder mehrere Metallbleche vorgesehen. Diese können entweder nebeneinander oder in gestapelter Form angeordnet sein.
Hierdurch können Öffnungskonturen für den Kunststoffaustritt realisiert werden, die ansonsten fertigungstechnisch nicht oder nur mit sehr großem Aufwand umsetzbar sind.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metallbleche aus dem gleichen Werkstoff oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und/oder unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen und/oder unterschiedliche Wanddicken aufweisen.
Es kann sich sowohl um Metallbleche aus dem gleichen Werkstoff als auch um Metallbleche unterschiedlicher Werkstoffe handeln. Durch die Verwendung von Metallblechen mit Werkstoffen unterschiedlicher Steifigkeit kann beispielsweise eine Dichtwirkung in den Kontaktflächen zum Imprägnierwerkzeug erzeugt werden. Die Metallbleche können zudem unterschiedliche Wanddicken aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine seitliche Begrenzung der Imprägnierstrecke vorgesehen ist. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass zur Abdichtung des Metallblechs gegenüber dem Werkzeug eine Gelenkbolzenschelle vorgesehen ist, die das Metallblech gegen ein Trägerwerkzeug mit gebogener Form drückt.
Hierdurch wird sichergestellt, dass radial kein Kunststoff austreten kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Gelenkbolzenschelle mittig ausgefräst ist.
Damit stellt die Gelenkbolzenschelle gleichzeitig eine seitliche Abgrenzung der Imprägnierstrecke dar. Somit lässt sich eine Funktionsintegration aus der Halterung des Blechhalterung und Begrenzung der Imprägnierstrecke in einem Bauteil erzielen.
Aus dem Werkzeugbau der Spritzgusstechnik ist es bekannt, dass die Abdichtung von Polymerkanälen insbesondere bei hohem Betriebsdruck problematisch ist. Die vorliegende Konstruktion löst das Problem, indem auf jede Kontaktfläche der Imprägniervorrichtung, durch die der Kunststoff austreten könnte, eine Vorspannkraft senkrecht zu dieser wirkt. Zudem ist die Imprägniervorrichtung schnell zerlegbar und gut zu reinigen. Es fällt kein Verschnitt an, da die Imprägnierung über die gesamte Breite der Imprägnierstrecke möglich ist. Damit ist eine gleichzeitige Breitenkalibrierung des Erzeugnisses möglich. Je nach Spreizvermögen der zu verarbeitenden Rovings ist die Breite der Imprägnierstrecke einstellbar. Somit wird eine neuartige, kostengünstige Vorrichtung zur Herstellung von Faser- Thermoplast-Halbzeugen mit einstellbaren Parametern geschaffen.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Trägerwerkzeug zweiteilig ausgeführt ist.
Dieses Trägerwerkzeug dient neben der Aufnahme des perforierten Metallblechs auch der Zuführung der hochviskosen, thermoplastischen Matrix.
Vorteilhaft weist hierfür das T rägerwerkzeug eine Matrixzufuhr und einen damit verbundenen Verteilungskanal auf, auf dem das gebogene Metallblech angeordnet ist.
Vorzugsweise ist am Ende der Imprägnierstrecke eine Abzugseinheit angeordnet, die der Dickenkalibrierung des Faser-Matrix-Verbundes dient. Die Dicke des Faser-Matrix- Verbundes ist somit variabel einstellbar. Diese Abzugseinheit erzeugt eine Umwälzung der Matrix vor dem Verlassen der Imprägnierstrecke, wodurch zusätzlich die Imprägnierleistung und die Qualität der Oberfläche erhöht wird.
In Kombination mit der zuvor genannten, seitlichen Begrenzung der Imprägnierstrecke kann eine geschlossene Kavität erzeugt werden. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Imprägniervorgangs,
Fig. 2 die Herstellung und Funktionsweise des gebogenen Metallblechs,
Fig. 3 eine Schnittansicht (XY-Ebene) der Imprägniervorrichtung,
Fig. 4 eine Schnittansicht (ISO-Ansicht) der Imprägniervorrichtung,
Fig. 5 eine Schnittansicht (YZ-Ebene) der Imprägniervorrichtung,
Fig. 6 eine Schnittansicht (XY-Ebene) der Imprägniervorrichtung gemäß Figur 3 mit einer Abzugseinheit.
Fig. 1a zeigt eine schematische Darstellung des Imprägniervorgangs. Die trockenen Fasern 1 bewegen sich in Richtung der Bildebene (x-Richtung) kontinuierlich auf dem (hier zur Vereinfachung eben dargestellten) Metallblech 2 weiter, während durch die Perforationen 3 des Metallblechs 2 hochviskose, thermoplastische Kunststoffmatrix durchtritt, mit der die Fasern 1 imprägniert werden.
Die dargestellte Perforierung entspricht dabei nicht den realen Größenverhältnissen. Der Durchmesser der einzelnen Perforationen beträgt- je nach Viskosität der Kunststoffmatrix - zwischen 10 und 500 pm, vorzugsweise zwischen 15 und 300 pm und besonders bevorzugt zwischen 20 und 150 pm.
Es können statt einem Metallblech 2 auch zwei oder mehrere Metallbleche 2 übereinandergeschichtet werden. Hierdurch können Öffnungskonturen für den Kunststoffaustritt realisiert werden, die ansonsten fertigungstechnisch nicht umsetzbar sind.
Fig. 2 zeigt die Herstellung und Funktionsweise des gebogenen Metallblechs 2. Zunächst (Fig. 2a) wird ein ebenes perforiertes Metallblech 2 hergestellt, wobei das Perforationsmuster auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden kann.
Die Öffnungskonturen im Metallblech können sowohl kreisrundsein als auch eine rechteckige oder beliebige Polygonkontur und - entsprechend der sinusförmigen Kontaktdruckverteilung - unterschiedliche Dimensionen und Anordnungen auf dem Metallblech aufweisen (Fig. 2b).
Die Steuerung des Imprägnierdrucks erfolgt durch das Perforationsmuster, das vorzugsweise durch numerische Fluidsimulation bestimmt wird. Anschließend wird das Metallblech 2 kreissegmentförmig gebogen (Fig. 2c), beispielsweise durch Rollbiegen. Fig. 2d zeigt schematisch die Faserimprägnierung. Die Fasern 1 bewegen sich unter Längszugbeanspruchung über das perforierte Metallblech 2, wobei eine sinusförmige Kontaktdruckverteilung zwischen den Fasern 1 und dem Metallblech 2 entsteht. Der flüssige Kunststoff tritt durch die Perforationen 3 aus. Durch die Abstimmung der Dimension der Perforationen 3 in Abhängigkeit vom Kontaktdruck kann ein gezieltes Druckverhältnis bei der Imprägnierung der Fasern 1 eingestellt werden.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine erfindungsgemäße Imprägniervorrichtung. Um das Metallblech 2 gegenüber dem Trägerwerkzeug 4 abzudichten, wird eine speziell entwickelte Gelenkbolzenschelle 5 verwendet. Diese drückt das Metallblech 2 gegen das Trägerwerkzeug 4 und stellt somit sicher, dass radial kein Kunststoff austreten kann. Die Besonderheit an dieser Lösung besteht darin, dass die Gelenkbolzenschelle 5 zusätzlich mittig ausgefräst ist und dadurch gleichzeitig die seitliche Abgrenzung der Imprägnierstrecke darstellt. Somit lässt sich eine Funktionsintegration aus Blechhalterung und Begrenzung der Imprägnierstrecke in einem Bauteil erzielen.
Das Trägerwerkzeug 4 ist zweiteilig ausgeführt und ist neben der Aufnahme des perforierten Metallblechs 2 verantwortlich für die Zuführung der hochviskosen, thermoplastischen Kunststoffmatrix. Durch eine abgesetzte Kontur der Matrixzufuhr 6 wird die hochviskose, thermoplastische Kunststoffmatrix aus einem Extruder dem Trägerwerkzeug 4 zugeführt und über einen Verteilungskanal 7 gleichmäßig unterhalb des perforierten Metallblechs 2 verteilt. Zusätzlich dient das Trägerwerkzeug 4 als Aufnahme für diverse Sensoren (z.B.
Drucksensor 10, Temperatursensor 11) zur Steuerung des Prozesses. Die trockenen Fasern 1 werden über eine Umlenkrolle 8 auf das Trägerwerkzeug 4 geleitet, laufen dann halbkreisförmig über das perforierte Metallblech 2, wobei sie mit der aus den Perforationen 3 austretenden hochviskosen, thermoplastischen Kunststoff matrix imprägniert werden und verlassen dann als imprägniertes Faser-Matrix-Halbzeug 9 das Trägerwerkzeug 4.
Wie in Fig. 6 dargestellt, ist am Ende der Imprägnierstrecke eine Abzugseinheit 10 angeordnet, die der Dickenkalibrierung des Faser-Matrix-Verbundes dient. Die Dicke des Faser-Matrix-Verbundes kann somit variabel eingestellt werden. Diese Abzugseinheit 10 erzeugt eine Umwälzung der Matrix vor dem Verlassen der Imprägnierstrecke, wodurch zusätzlich die Imprägnierleistung und die Qualität der Oberfläche erhöht wird.
In Kombination mit seitlichen Begrenzungen der Imprägnierstrecke kann eine geschlossene Kavität erzeugt werden.

Claims

ANSPRÜCHE Verfahren zur Schmelzimprägnierung von Fasern (1) mit thermoplastischer Matrix, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (1) unter Aufbringung eines Kontaktdrucks über ein gebogenes, perforiertes Metallblech (2) als Imprägnierstrecke geführt werden, wobei die hochviskose, thermoplastische Kunststoff matrix durch die Perforationen (3) des Metallblechs durchtritt, um anschließend die Fasern (1) zu imprägnieren. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Perforationsmuster des Metallblechs (2) durch numerische Fluidsimulation bestimmt wird. Vorrichtung zur Schmelzimprägnierung von Fasern (1) mit thermoplastischer Matrix, dadurch gekennzeichnet, dass ein gebogenes, perforiertes Metallblech (2) als Imprägnierstrecke vorgesehen ist, über das die Fasern (1) unter Aufbringung eines Kontaktdrucks führbar sind, wobei die hochviskose, thermoplastische Kunststoffmatrix durch die Perforationen (3) des Metallblechs (2) führbar ist, um anschließend die Fasern (1) zu imprägnieren. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Metallbleche (2) vorgesehen sind. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbleche (2) aus dem gleichen Werkstoff oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und/oder unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen und/oder unterschiedliche Wanddicken aufweisen. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abdichtung des Metallblechs (2) gegenüber dem Werkzeug eine Gelenkbolzenschelle (5) vorgesehen ist, die das Metallblech (2) gegen ein Trägerwerkzeug (4) mit gebogener Form drückt. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkbolzenschelle (5) mittig ausgefräst ist. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerwerkzeug (4) zweiteilig ausgeführt ist. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerwerkzeug (4) eine Matrixzufuhr (6) und einen damit verbundenen Verteilungskanal (7) aufweist, auf dem das gebogene Metallblech angeordnet ist. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine seitliche Begrenzung der Imprägnierstrecke vorgesehen ist. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Imprägnierstrecke eine Abzugseinheit (10) angeordnet ist.
PCT/DE2023/100484 2022-06-28 2023-06-27 Verfahren und vorrichtung zur schmelzimprägnierung von fasern mit thermoplastischer matrix WO2024002422A1 (de)

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DE (1) DE102022116096A1 (de)
WO (1) WO2024002422A1 (de)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05162130A (ja) * 1991-12-16 1993-06-29 Sekisui Chem Co Ltd 繊維複合シートの製造方法
DE4413501A1 (de) * 1994-04-19 1995-10-26 Inst Verbundwerkstoffe Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Faserbündelimprägnierung
US5569326A (en) * 1992-01-17 1996-10-29 J. M. Voith Gmbh Device for applying and dosing liquid or pasty materials
US5798068A (en) * 1994-03-17 1998-08-25 Shell Research Limited Process of melt impregnation
DE19757881A1 (de) * 1997-12-24 1999-07-01 Hausmann Joachim Verfahren und Vorrichtung zur Faserimprägnierung
WO2008044251A1 (en) * 2006-10-09 2008-04-17 Lati Industria Termoplastici S.P.A. Improved system, for manufacturing long-fiber polymeric compound
US7547361B2 (en) * 2004-03-31 2009-06-16 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of Natural Resources Method and apparatus for fabrication of polymer-coated fibers
DE102010008100A1 (de) * 2010-02-15 2011-08-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 Verfahren und Vorrichtung zur Imprägnierung von Fasern
US8316906B2 (en) * 2007-12-12 2012-11-27 Borealis Technology Oy Impregnation of a filament roving

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05162130A (ja) * 1991-12-16 1993-06-29 Sekisui Chem Co Ltd 繊維複合シートの製造方法
US5569326A (en) * 1992-01-17 1996-10-29 J. M. Voith Gmbh Device for applying and dosing liquid or pasty materials
US5798068A (en) * 1994-03-17 1998-08-25 Shell Research Limited Process of melt impregnation
DE4413501A1 (de) * 1994-04-19 1995-10-26 Inst Verbundwerkstoffe Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Faserbündelimprägnierung
DE19757881A1 (de) * 1997-12-24 1999-07-01 Hausmann Joachim Verfahren und Vorrichtung zur Faserimprägnierung
US7547361B2 (en) * 2004-03-31 2009-06-16 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of Natural Resources Method and apparatus for fabrication of polymer-coated fibers
WO2008044251A1 (en) * 2006-10-09 2008-04-17 Lati Industria Termoplastici S.P.A. Improved system, for manufacturing long-fiber polymeric compound
US8316906B2 (en) * 2007-12-12 2012-11-27 Borealis Technology Oy Impregnation of a filament roving
DE102010008100A1 (de) * 2010-02-15 2011-08-18 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 Verfahren und Vorrichtung zur Imprägnierung von Fasern

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AUS A. LUTZT. HARMIA: "Polypropylene", vol. 2, 1999, J. KARGER-KOCSIS, HRSG, article "Impregnation techniques for fiber bundles or tows", pages: 301 - 306

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