PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69206479T2 15.05.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0513927
Titel Harz-Imprägnierung von Fasern.
Anmelder Shell Internationale Research Maatschappij B.V., Den Haag/s'Gravenhage, NL
Erfinder Stewart, Steven Lee, Houston, Texas 77095, US
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Wuesthoff & Wuesthoff, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69206479
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 13.05.1992
EP-Aktenzeichen 922013727
EP-Offenlegungsdatum 19.11.1992
EP date of grant 06.12.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse B29C 70/52
IPC-Nebenklasse B29B 15/14   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Harztränken van Fasern und insbesondere auf die Vermischung zweier reaktionsfähiger Harzströme im Eingang einer Zieh-Strangpreßdüse. Die Harzströme werden entlang der durch die Düse zieh-stranggepreßten Fasern vermischt, wobei die Harzströme die Fasern benetzen.

Das Reaktionsspritzgußverfahren (RSG) bringt zwei Polymer-Vorläufer mit geringer Viskosität in einem Aufprallmixer (Fig. 1) zusammen, wo sie beginnen zu reagieren, bevor sie weiterbefördert werden, um eine Form zu füllen. Die geringe Viskosität der Harze reduziert die Pumpenanforderungen und führt zu einer besseren Harzdurchdringung der Form und der Verstärkung. Das RSG-Verfahren ist jedoch darin beschränkt, daß es im allgemeinen ein Chargenbetrieb ist und Kostennachteile gegenüber kontinuierlichen Verfahren hat. Darüber hinaus ist es schwierig, RSG-Teile mit einer Endlosfaserverstärkung herzustellen.

Das Zieh-Strangpreßverfahren mit Endlosfaserverstärkung (Fig. 2) vereint das katalysierte Harz und die Faserverstärkung in einem Harztank, bevor die harzgetränkte Faser durch eine erhitzte Düse mittels Zieheinrichtungen gezogen und anschließend auf eine bestimmte Lange geschnitten wird. Im allgemeinen enthält der Harztank vermischte aushärtbare Harze, welche mit der Zeit ein bestimmtes Maß an Aushärtung im Tank erfahren. Die Viskosität der Harze in dem Tank steigt folglich mit der Zeit an. Wenn die vermischten Harze zu dick werden, bleibt die Maschine stecken. Diese Faktoren haben die Anwendung des Zieh-Strangpreßverfahrens im allgemeinen auf vermischte Harzmaterialien mit verhältnismäßig langen Verarbeitungszeiten eingeschränkt.

Zahlreiche Vorschläge wurden gemacht, um das Zieh-Strangpreßverfahren zu verbessern, beispielsweise in dem Artikel "RTM-pultrusion of Thermoplastic Matrix Composites" von H. Ishida und G. Rotter, vorgestellt vom 1. Februar bis zum Mai 1988 bei der 43. jährlichen Konferenz des Composites Institute. Ein Konzept besteht darin, daß der Harztank durch die Harzimprägnierungskammer wie in Fig. 3 gezeigt ersetzt wird. Es ist diese Kammer, in welcher das Vorbenetzen der Verstärkung erfolgt. Die Autoren meinen, daß die Grenzen jedes einzelnen Verfahrens vermieden worden sind, insoferne, als die Einschränkungen in Bezug auf die Verarbeitungszeit des Harztankes durch die Verwendung von Materialien mit kurzen Gelierzeiten und geringen Viskositäten drastisch verringert werden. Ein Harzsystem für dieses vorgeschlagene Zieh-Strangpreßverfahren ist in dem US-Patent 4 735 992 offenbart, bei welchem eine vor-gemischte Mischung aus reaktionsfähigen Harzströmen eine Düse speist, durch welche ein Glasfaserkern kontinuierlich gezogen wird, wie in Spalte 3, Zeile 57 bis Spalte 4, Zeile 8 dieses '992-Patentes angegeben ist. Man beachte, daß hier wieder das Harz vor der Sättigung des Glasfaserkernes vorgemischt wird.

Der Artikel von Ishida et al. schlägt ebenfalls ein mögliches Harzkammerdesign vor, bei welchem bereits vermischte Harzkomponenten von oben zugeführt werden, um Fasern zu benetzen, welche in die Kammer unter einem Winkel eintreten (dargestellt in Fig. 4), und ein grundlegenderes, in Fig. 5 gezeigtes Design, bei welchem die Kammer weiterhin den hydrostatischen Einschnürvorteil der Konstruktion von Fig. 4 hat, nun aber Totzonen entlang ihrer Länge aufweist. Es kann erwartet werden, daß in diesen Totzonen das Harz stagnieren und verfrüht aushärten wird, was möglicherweise sogar zu der Ausbildung eines Harzpropfens (Fig. 5A) führt, welche die Maschine blockieren könnte. Das Harz könnte auch aushärten, um möglicherweise eine Schicht oder einen Trichter um den Innendurchmesser der Wand zu bilden, so daß nachfolgendes Material einfacher fließen würde, wie in Fig. 6 gezeigt.

Diese Probleme ergeben sich aus dem Vor-Mischen der beiden miteinander reaktionsfähigen Harzströme früher als absolut notwendig und werden durch die vorliegende Erfindung reduziert, bei welcher die miteinander reaktionsfähigen Harzströme am unmittelbaren Eingang der Imprägnierungsdüse gemischt werden, und zwar unter gleichzeitigem Ultraschallrühren, um das Harz rasch in die Fasern zu zwingen und dadurch die Kürze der Harz/Faser-Tränkzeit zu kompensieren. Das Harz wird nicht einige Meter oder sogar Zentimeter stromaufwärts der erhitzten Düse vor-gemischt, sondern am unmittelbaren Eingang der Düse gemischt. Harze mit extrem kurzen Reaktionszeiten können daher verwendet werden, ohne daß ein Verstopfen des Systems zu befürchten wäre.

Die Erfindung schafft daher eine Vorrichtung zum Imprägnieren einer Faser mit Harz, welche Vorrichtung aufweist:

i) eine Imprägnierungsdüse mit einem Einlaßende und einem Auslaßende und einer dazwischen ausgebildeten zentralen Durchführungsöffnung, die eine entsprechende Größe für das Hindurchziehen zumindest einer harzgetränkten Faser hat, wobei das Einlaßende der Imprägnierungsdüse eine verjüngte Öffnung aufweist, die von zumindest einer verjüngten Oberfläche gebildet ist, welche die zentrale Durchführungsöffnung konvergierend schneidet;

ii) einen Harzzuführungskopf, der im Inneren der verjüngten Öffnung angeordnet ist und mit dieser zusammenwirkt, wobei ein Abschnitt des Harzzuführungskopfes in einem Abstand von der verjüngten Oberfläche liegt, um das Einziehen zumindest einer Faser dazwischen und anschließend in die zentrale Durchführungsöffnung hinein zu ermöglichen, wobei der Harzzuführungskopf eine Mischseite aufweist, der Harzzuführungskopf erste Harzströmungsöffnungsmittel und zweite Harzströmungsöffnungsmittel aufweist, die durch ihn hindurch ausgebildet sind, und die Harzströmungsöffnungsmittel getrennte Harzströmungsöffnungen in der Mischseite bilden;

iii) Mittel zum Strömungsleiten eines ersten Harzstromes durch die ersten Harzströmungsöffnungsmittel und eines zweiten Harzstromes durch die zweiten Harzströmungsöffnungsmittel, wobei die Harzströme miteinander co-reaktionsfähig und aushärtbar sind, wenn sie vermischt werden, wobei die durch die getrennten Harzströmungsöffnungen in der Mischseite abgegebenen Harzströme sich anschließend am unmittelbaren Eingang der Imprägnierungsdüse vermischen, wobei die vermischten Harzströme die zumindest eine Faser durchtränken; und

iv) Mittel zum Abziehen der harzgetränkten Faser von der Mischseite, bevor das die Faser tränkende vermischte Harz aushärtet;

dadurch gekennzeichnet, daß

v) Ultraschallantriebsmittel betriebsmäßig an den Harzzuführungskopf angeschlossen sind und in der Lage sind, den Harzzuführungskopf in Vibration zu versetzen.

Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Harz-Imprägnieren einer Faser, welches Verfahren die Schritte umfaßt:

Vorsehen einer Imprägnierungsdüse mit einem Einlaßende und einem Auslaßende und einer dazwischen ausgebildeten zentralen Durchführungsöffnung, die eine entsprechende Größe für das Hindurchziehen zumindest einer harzgetränkten Faser hat, wobei das Einlaßende der Imprägnierungsdüse eine verjüngte Öffnung aufweist, die von zumindest einer verjüngten Oberfläche gebildet ist, welche die zentrale Durchführungsöffnung konvergierend schneidet;

Vorsehen eines Harzzuführungskopfes, der im Inneren der verjüngten Öffnung angeordnet ist und mit dieser zusammenwirkt, wobei ein Abschnitt des Harzzuführungskopfes in einem Abstand von der verjüngten Oberfläche liegt, um das Einziehen zumindest einer Faser dazwischen und anschließend in die zentrale Durchführungsöffnung hinein zu ermöglichen, wobei der Harzzuführungskopf eine Mischseite aufweist, der Harzzuführungskopf erste Harzströmungsöffnungsmittel und zweite Harzströmungsöffnungsmittel aufweist, die durch ihn hindurch ausgebildet sind, wobei die Harzströmungsöffnungsmittel getrennte Harzströmungsöffnungen in der Mischseite bilden; Durchziehen der Faser zwischen dem Harzzuführungskopf und der verjüngten Oberfläche der Imprägnierungsdüse hinein in die zentrale Durchführungsöffnung; Strömungsleiten eines ersten Harzstromes durch die ersten Harzströmungsöffnungsmittel und eines zweiten Harzstromes durch die zweiten Harzströmungsöffnungsmittel, wobei die beiden Harzströme miteinander co-reaktionsfähig und aushärtbar sind, wenn sie vermischt werden, und zwar am unmittelbaren Eingang der Imprägnierungsdüse, wobei die Harzströme durch die getrennten Harzströmungsöffnungen in der Mischseite abgegeben werden und sich anschließend vermischen, wobei die vermischten Harzströme die zumindest eine Faser mit vermischtem Harz durchtränken; und Abziehen der harzgetränkten Faser von der Mischseite, bevor das die Faser tränkende vermischte Harz aushärtet; gekennzeichnet durch das Vorsehen von Ultraschallantriebsmitteln, die betriebsmäßig an den Harzzuführungskopf angeschlossen sind und in der Lage sind, den Harzzuführungskopf in Vibration zu versetzen, und durch das Einschalten der Ultraschallantriebsmittel, um den Harzzuführungskopf in Vibration zu versetzen.

Die Imprägnierungsdüse besitzt eine verjüngte Öffnung, welche nach innen konvergiert und eine zentrale Durchführung kreuzt, welche durch die Düse hindurch definiert ist. Ein gesonderter Harzzuführungskopfliegt im Inneren der verjüngten Öffnung und wirkt mit dieser zusammen. Das Faserverstärkungsmaterial wird zwischen den Harzzuführungskopf und durch die zentrale Durchführungsöffnung hindurchgezogen.

Der Harzzuführungskopf hat eine Mischseite, welche der zentralen Durchführungsöffnung benachbart ist. Strömungsöffnungen, die im Harzzuführungskopf enthalten sind, geben ab und richten zwei getrennte, co-reaktionsfähige Harzströme zur Mischseite. Die Harzströme vermischen sich an der Mischseite und/oder im Faserverstärkungsmaterial, wenn das Material an der Mischseite vorbeitritt. Ein Ultraschallantrieb ist an den Harzzuführungskopf angeschlossen und versetzt den Kopf in Vibration, um die Geschwindigkeit der Harz/Faser-Benetzung zu beschleunigen.

Im Betrieb wird das Fasermaterial zunächst zwischen den Harzzuführungskopf und die verjüngte Oberfläche der Imprägnierungsdüse und anschließend in die zentrale Durchführungsöffnung hinein gezogen. Die an den Harzzuführungskopf angeschlossene Ultraschallantriebseinrichtung wird anschließend eingeschaltet. Zwei gesonderte Harzströme fließen anschließend durch Öffnungen im Harzzuführungskopf und aus getrennten Strömungsöffnungen in der Mischseite des Zuführungskopfes, wobei die vermischten Harzströme das neben der Mischseite liegende Fasermaterial durchtränken. Das harzgetränkte Fasermaterial wird anschließend von der Mischseite abgezogen, bevor das die Faser tränkende vermischte Harz aushärtet.

Es sei erwähnt, daß die DE-A-3 521 229 ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Halbfertigerzeugnissen offenbart, welches den Schritt des Zuführens eines Bündels von Glasfasern zu einem Bad umfaßt, das mit flüssigem Kunststoffmaterial gefüllt ist. In diesem Bad wird Ultraschall auf die Fasern und das Kunststoffmaterial angewandt, um eine gute Durchtränkung der Fasern zu erzielen.

Die Probleme einer Blockierung oder eines verfrühten Aushärtens von Harzen in einer Zieh-Strangpreßdüse wurden jedoch in keiner Weise offenbart oder beschrieben.

In den begleitenden Zeichnungen zeigen die Fig. 1 bis 6 verschiedene Merkmale bekannter Zieh-Strangpreßvorrichtungen und die Fig. 7, 8 und 9 Formen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Reaktionsspritzgußverfahrens.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Zieh-Strangpreßverfahrens.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht eines herkömmlichen RSG-Zieh-Strangpreßverfahrens.

Fig. 4 zeigt eine schematische querschnittliche Seitenansicht eines Fasermaterials, das gerade mit einem bereits vorgemischten Harzsystem getränkt wird.

Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Fasermaterials, das mit Harz in einer Harzkammer getränkt wird.

Fig. 5A zeigt eine schematische querschnittliche Seitenansicht der Harzkammer, die mit einem Keil aus ausgehärtetem Harz verlegt ist.

Fig. 6 zeigt eine schematische teilweise querschnittliche Seitenansicht eines ausgehärteten Harzes, das an den Innenwänden einer Harzkammer gebildet ist.

Fig. 7 zeigt eine schematische querschnittliche Draufsicht eines Harzzuführungskopfes, der in eine Imprägnierungsdüse eingesetzt ist.

Fig. 8 zeigt eine schematische querschnittliche Seitenansicht des in die Imprägnierungsdüse eingesetzten Harzzuführungskopfes.

Fig. 9 zeigt eine schematische Vorderansicht des Harzzuführungskopfes.

Unter Bezugnahme auf die den Stand der Technik betreffenden Figuren 1 bis 6 zeigt Fig. 1 eine typische Reaktionsspritzgußvorrichtung, bei welcher zwei getrennte, miteinander reaktionsfähige Harze gesondert in einem Tank A 11 und in einem Tank B 12 gehalten und anschließend in einem Mischkopf 14 gemischt werden, bevor sie in eine Form 16 eingebracht werden.

Die Elemente des Zieh-Strangpreßverfahrens sind in Fig. 2 dargestellt. Fasern 18 werden durch einen Harztank 20 geführt, welcher vor-gemischtes Harz 22 enthält, bevor die Fasern durch die erhitzte Düse 24 mit Hilfe von Zieheinrichtungen 26 gezogen werden, bevor sie durch eine Säge 28 auf bestimmte Längen geschnitten werden.

Die RSG-Zieh-Strangpreßanlage, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Kombination der in den beiden vorigen Fig. 1 und 2 gezeigten Ausrüstung. Ein Harz, das in einem Tank A llA gehalten wird, und ein Harz, das in einem Tank B 12B gehalten wird, werden in einem Mischkopf 14A vereinigt und anschließend in eine Harzkammer 30 eingespritzt, um die Fasern 18A zu tränken. Die Fasern werden durch eine erhitzte Düse 24A mit Hilfe von Zieheinrichtungen 26A gezogen und anschließend mittels der Säge 28A abgelängt. Das harzgetränkte Faserbündel 32, welches aus der Harzkammer 30 austritt, wird atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt, und das in den Fasern enthaltene Harz muß eine ausreichende Aushärtzeit haben, so daß die Faser/Harz-Struktur sich nicht in der erhitzten Düse 24A verbindet.

Ein anderer Weg, das bereits gemischte Harz 34 mit den Fasern 18B zu vereinigen, ist in Fig. 4 gezeigt, in welcher die Fasern in einem Abstand voneinander bleiben, der ausreicht, damit das Harz um und in die Fasern strömt, bevor die Faser/Harz-Mischung durch die Benetzungsdüse 38 gezogen wird. Eine Stickstoffquelle 36 kann am Eingang zur Benetzungsdüse 38 vorgesehen werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist in dieser eine Benetzungsdüse 40 ersichtlich, die Totzonen 42 aufweist, an welchen überschüssiges Harz dazu tendiert, sich anzusammeln und auszuhärten. Wie in Fig. 5A gezeigt, kann sich ein Pfropfen 44 aus ausgehärtetem Harz in der zentralen Totzone 42 ausbilden und anschließend das Faserziehverfahren blockieren. Wie in Fig. 6 gezeigt, kann sich die ausgehärtete Harzablagerung 44 auch neben der Wand 46 ausbilden und entweder das Vorbeitreten der Fasern an den scharfen Kanten der Wand 46 erleichtern oder sich weiter aufbauen und eventuell eine Blockierung des Verfahrens bewirken.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 7, 8 und 9, welche die vorliegende Erfindung veranschaulichen, weist die Vorrichtung 50 eine Imprägnierungsdüse 52 mit einem Einlaßende 54 und einem Auslaßende 56 und einer zentralen Durchführungsöffnung 58 auf, die zwischen dem Einlaßende und dem Auslaßende definiert ist. Die zentrale Durchführungsöffnung hat, wie es in der Zieh-Strangpreßtechnik hinlänglich bekannt ist, eine solche Größe, um zumindest eine harzgetränkte Faser 60 hindurchzuziehen. Der Ausdruck Faser 60 sollte in seinem allgemeinsten Sinn verstanden werden, und zwar so, daß er alle Arten von Faserverstärkungen umfaßt, die allgemein bei der Herstellung von zieh-stranggepreßten faserverstärkten Kunststoffgegenständen verwendet werden. "Faser" 60 kann daher eine einzelne Faser umfassen, mehrere Fasern, eine kontinuierliche Litzenmatte, ein unidirektionales Tuch, gewebtes Garn oder jegliches andere Material, das dazu verwendet wird, aushärtbare Harzsysteme zu verstärken.

Verschiedene Faserzuführungswege 61 zu der zentralen Durchführungsöffnung sind in Fig. 7 gezeigt, obwohl nicht alle Wege gezeigt sind, um die klare Erkennbarkeit der darunterliegenden Struktur zu bewahren.

Das Einlaßende der Imprägnierungsdüse hat wie ersichtlich eine verjüngte Öffnung 62 (Fig. 8), die durch zumindest eine sich verjüngende Oberfläche definiert wird, welche konvergierend die zentrale Durchführungsöffnung 58 schneidet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die verjüngte Öffnung 62 durch die obere verjüngte Imprägnierungsdüsen-Oberfläche 64, die untere verjüngte Imprägnierungsdüsen-Oberfläche 66, die Imprägnierungsdüsen-Seitenoberfläche A 68 und die Imprägnierungsdüsen-Seitenoberfläche B 70 definiert. Es versteht sich, daß viele andere Kombinationen von konischen, gekrümmten oder geraden Oberflächen verwendet werden können, um die zur zentralen Durchführungsöffnung 58 führende verjüngte Öffnung zu bilden.

Die Imprägnierungsdüse kann auch zumindest ein Heizelement 59 enthalten, das dazu verwendet werden kann, der harzgetränkten Faser Wärmeenergie zuzuführen, wie es in der Technik bekannt ist.

Die Vorrichtung 50 kann auch wie ersichtlich einen Harzzuführungskopf 72 enthalten, der im Inneren der verjüngten Öffnung 62 angeordnet ist und mit dieser zusammenwirkt. Wie aus Fig. 8 ersehen werden kann, liegt ein Abschnitt des Harzzuführungskopfes in einem Abstand von der oberen verjüngten Imprägnierungsdüsen-Oberfläche 64 und der unteren verjüngten Imprägnierungsdüsen-Oberfläche 66, um zu ermöglichen, daß die Faser dazwischen ein- und anschließend in die zentrale Durchführungsöffnung 58 hineingezogen wird. Das Aufteilen der Fasern auf diese Weise vor ihrem Zusammenlaufen im Inneren der zentralen Durchführungsöffnung 58 unterstützt das Harztränken der Fasern, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird.

Wie ersichtlich weist der Harzzuführungskopf 72 eine obere verjüngte Harzzuführungskopf-Oberfläche 74, eine untere verjüngte Harzzuführungskopf-Oberfläche 76, eine Harzzuführungskopf-Seitenoberfläche A 78 und eine Harzzuführungskopf-Seitenoberfläche B 80 auf. Die Harzzuführungskopf-Oberflächen 74, 76, 78, 80 können natürlich in jeder beliebigen Weise geformt sein, um zu ermöglichen, daß der Harzzuführungskopf in die verjüngte Öffnung 62 paßt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die Seitenoberflächen 78, 80 eine solche Größe, daß sie in die damit zusammenwirkenden Oberflächen 68, 70 der Imprägnierungsdüse betriebsmäßig eingreifen, weil keine Fasern 60 über die Seitenoberflächen des Harzzuführungskopfes und der Imprägnierungsdüse gezogen werden müssen. Die gegenseitige Abdichtung der Seitenoberflächen kann auch den Harzzuführungskopf 72 relativ zur Imprägnierungsdüse stabilisieren. Die Seitenoberflächen können jegliche in der Technik bekannte elastomere Abdichtungsmittel aufweisen, um diesen Zweck zu erfüllen. Alternativ können natürlich die Harzzuführungskopf-Seitenoberflächen von der Imprägnierungsdüse Abstand haben.

Wie ersichtlich hat der Harzzuführungskopf 72 eine Mischseite 82, die der zentralen Durchführungsöffnung benachbart ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt die Mischseite 82 senkrecht zu einer zentralen Längsachse 85, welche axial durch die zentrale Durchführungsöffnung und den Harzzuführungskopf 72 hindurch definiert ist. Es versteht sich, daß die Mischseite 82 in einer alternativen Ausführungsform auf den anderen verjüngten Oberflächen des Harzzuführungskopfes liegen kann, oder auf den verjüngten Oberflächen der Imprägnierungsdüse, solange das von der Mischseite abgegebene Harz sich gleichmäßig mit den gerade durch die Imprägnierungsdüse gezogenen Fasern 60 vermischt und darin verteilt.

Der Harzzuführungskopf 72 hat, wie ersichtlich, erste Harzströmungsöffnungsmittel 84, wie einen Kanal 86 für Harz A, der einen gemeinsamen Harzzuführungsverteiler im Inneren des Harzzuführungskopfes bildet, und anschließend ein Verteilungsnetzwerk von kleineren Öffnungen, welche es dem Harz ermöglichen, abwärts zur Mischfläche zu strömen. Der Kanal 86 für Harz A endet an der Mischseite in Harzströmungsöffnungen 88A, 88B, 88C. Diese Öffnungen haben zur leichteren Erkennbarkeit alle Pfeile mit der Bezeichnung "A" in Fig. 7 und sind in Fig. 9 einfach mit "A" bezeichnet.

In gleicher Weise enthält der Harzzuführungskopf zweite Harzströmungsöffnungsmittel 90, wie einen Kanal 92 für Harz B, der an der Mischseite in Harzströmungsöffnungen 94A, 94B und 94C endet. Zur besseren Erkennbarkeit sind diese Öffnungen in Fig. 7 mit abgehenden Pfeilen "B" bezeichnet, und in Fig. 9 als Öffnungen "B". Wie ersichtlich definieren die getrennten Harzströmungsöffnungsmittel 84, 90 gesonderte Harzströmungsöffnungen 88A, B, C und 94A, B und C in der Mischseite. Auf diese Weise werden die den gesonderten Harzkanälen 86, 92 zugeführten Harze getrennt gehalten und vermischen sich nicht, bis sie zumindest die Mischseite erreichen.

Die Vorrichtung 50 weist auch, wie ersichtlich, Mittel zum Durchleiten eines ersten Harzstromes 100 (Fig. 9) durch die ersten Harzströmungsöffnungsmittel auf, z.B. durch Verwendung eines Vorratstankes 102 für Harz A, der an eine Pumpe A 104 angeschlossen ist, welche den Kanal 86 für das Harz A speist. In gleicher Weise kann ein zweiter Harzstrom 106 vom Tank 108 durch die Pumpe B 110 in den Kanal 92 für das Harz B gepumpt werden. Die Harzströme 100, 106 werden anschließend durch die getrennten Harzströmungsöffnungen in der Mischseite abgegeben und vermischen sich, wobei die vermischten Harzströme 106, 100 die vorbeitretenden Fasern 60 durchtränken.

Der erste Harzstrom 100 wird durch die Öffnungen 88A, B, C abgegeben, und der zweite Harzstrom 106 durch die Öffnungen 94A, B und C; siehe beispielsweise Fig. 9.

Die Vorrichtung 50 weist auch, wie ersichtlich, Ultraschallantriebsmittel 116 wie eine Ultraschallantriebseinrichtung 118 auf, die betriebsmäßig mit dem Harzzuführungskopf verbunden ist und in der Lage ist, den Harzzuführungskopf in Vibration zu versetzen. Ein geeigneter Ultraschallantrieb ist ein Ultraschallstufenhorn, wie jenes, das von Branson Sonic Power Company erhältlich ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform vibriert dieser Ultraschallantrieb mit etwa 15 kHz bis etwa 25 kHz.

Die Verwendung des Ultraschallantriebes ermöglicht eine effiziente Einspritzung des vermischten Harzes um die Fasern herum, während diese in die zentrale Durchführungsöffnung 58 der Imprägnierungsdüse gezogen werden. Das bloße Vorbeiziehen der Fasern 60 an einem nicht-vibrierenden Harzzuführungskopf würde möglicherweise zu harztrockenen Flecken in den Fasern 60 führen, mit der Folge der Ausbildung von harzarmen Lücken im Endprodukt. Ein Fehlen dieser vom Ultraschallantrieb zur Verfügung gestellten externen Vibration würde es auch nicht ermöglichen, daß sich die Harzströme vollständig vermischen und dadurch miteinander reagieren, was bewirken würde, daß das Endprodukt eine ungleichmäßige Verteilung an reagiertem Harz enthalten würde.

Die Vorrichtung 50 weist auch, wie ersichtlich, Mittel zum Abziehen der harzimprägnierten Fasern von der Mischseite auf, bevor das die Fasern tränkende vermischte Harz aushärtet, und zwar eine Zieheinrichtung A 120 und eine Zieheinrichtung B 122, wie in der Technik bekannt ist.

Unter spezieller Bezugnahme auf Fig. 9 ist ersichtlich, daß die getrennten Harzströmungsöffnungen in der Mischseite so angeordnet sein können, daß sie in gleichmäßigen Abständen über die Länge der Mischseite liegen. Zusätzlich sind die Harzströmungsöffnungen bei einer bevorzugten Ausführungsform abwechselnd über die Länge der Mischseite angeordnet. Mit anderen Worten liegt eine Harzströmungsöffnung, die den Harzstrom A abgibt, neben einer Harzströmungsöffnung, welche den Harzstrom B abgibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Harzströmungsöffnungen so orientiert, daß sie die Harzströme 100, 106 parallel zur Längsachse der zentralen Durchführungsöffnung abgeben, obwohl es sich versteht, daß diese Abgaberichtung abhängig von dem Ort und der Art von Faser 60 variiert werden kann, die an dem Harzzuführungskopf vorbei in die Imprägnierungsdüse geführt wird, oder abhängig von der Art des verwendeten Harzes.

Im Betrieb wird die Faser 60 anfänglich zwischen den Harz zuführungskopf und die verjüngte Oberfläche der Imprägnierungsdüse in die zentrale Durchführungsöffnung hineingezogen. Die Ultraschallantriebsmittel werden anschließend eingeschaltet, um den Harzzuführungskopf in Vibration zu versetzen. Ein erster Harzstrom 100 strömt durch die ersten Harzströmungsöffnungsmittel, und ein zweiter Harzstrom 106 anschließend durch die zweiten Harzströmungsöffnungsmittel, wobei die beiden Harzströme miteinander co-reaktionsfähig sind und aushärtbar sind, wenn sie vermischt werden. Die Harzströme werden durch die getrennten Harzströmungsöffnungen in der Mischseite abgegeben und vermischen sich anschließend, wobei die vermischten Harzströme die Fasern mit vermischtem Harz durchtränken. Die harzgetränkten Fasern werden von der Mischseite abgezogen, bevor das die Fasern tränkende vermischte Harz aushärtet.

Abhängig von den Geometrien der Mischseite in Bezug zu der zentralen Durchführungsöffnung und der Lage der Faser relativ zum Schnittpunkt der Mischseite mit der zentralen Durchführungsöffnung vermischen sich die Harzströme und reagieren entweder neben der Mischseite und tränken anschließend die Fasern, oder die Harzströme vermischen sich und reagieren neben der Mischseite und der Faser 60 und imprägnieren anschließend die Faser. Alternativ könnten sich die Harzströme vermischen und in der Nähe der Faser reagieren und anschließend die Faser tränken. Es ist daher möglich, die Dynamik des Verfahrens so anzupassen, daß verschiedene Harzsysteme verwendet werden können, zusammen mit verschiedenen Fasersystemen, um ein zieh-stranggepreßtes Produkt zu erzeugen.

Sobald das Harz mit der Faser vermischt ist, können die normalen Zieh-Strangpreßverfahrensparameter für ein spezifisches Harzsystem als Anleitung zur Aufstellung der übrigen Verfahrensparameter verwendet werden. Beispielsweise würde es dem vermischten Harz höchstwahrscheinlich erlaubt werden, auszuhärten, bevor die harzgetränkte Faser aus dem Auslaßende der Imprägnierungsdüse gezogen wird. Die Heizelemente können eingeschaltet werden, um eine bestimmte Menge an Wärmeenergie an das harzgetränkte Fasermaterial abzugeben, während es durch die Imprägnierungsdüse hindurchtritt, wie es in der Technik bekannt ist.

Alternativ kann man das Harz auch nur teilweise aushärten, um ein vorimprägniertes Produkt ("Prepreg") zu schaffen, das anschließend umgeformt und in einem weiteren Formvorgang ausgehärtet wird. Ein Beispiel dafür wäre das Zieh-Strangpressen eines Prepreg-I-Trägers und der festen Anordnung auf einem nicht-ausgehärteten Prepreg-Panel, gefolgt von einem thermischen Aushärtzyklus, um die beiden Gegenstände sowohl auszuhärten als auch miteinander zu verbinden (Co-Aushärten).

Es ist zu beachten, daß andere Ultraschallantriebe an anderen Orten um die Vorrichtung 50 angeordnet werden können. Der Ultraschallantrieb zusammen mit der Mischwirkung der Harzströme gewährleistet eine gleichmäßigere Durchtränkung der Verstärkung und unterstützt die Luftabführung aus der Verstärkung.

Ein zusätzlicher Vorteil des Ultraschallantriebes ist die Möglichkeit, Segmente und Füllstoffe, sowohl mineralische als auch organische, in das Harzsystem einzubauen und diese Pigmente und Füllstoffe gleichmäßig in den ganzen Fasern zu verteilen, ohne daß die übliche Filtration dieser Feststoffe auf den Faserbündeloberflächen stattfindet.

Es versteht sich, daß die Harzzuführungskopf/Imprägnierungsdüsen-Kombination dazu verwendet werden kann, Zieh-Strangpressungen mit vielen verschiedenen Querschnitten abweichend von der in Fig. 8 gezeigten rechteckigen Zieh-Strangpressung 123 herzustellen. Zieh-Strangpreßprodukte mit kreisförmigen Querschnitten können gemäß den Lehren dieser Erfindung hergestellt werden, wobei der Innendorn die ultraschallangetriebene Harzzuführungsvorrichtung enthalten kann. Mehrfache Ultraschallantrieb/Harzzuführungsköpfe können verwendet werden, um komplexe Querschnitte mit I-, T-, J- und L-Trägern und deren beliebige Kombinationen herzustellen.

Die Harzströme können Komponenten enthalten, die normalerweise beim Reaktionsspritzgußverfahren verwendet werden, oder können jegliches andere Harzsystem umfassen, bei welchem die Harzströme miteinander co-reaktionsfähig und aushärtbar sind, wenn sie vermischt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Harzstrom 100 als Polyisocyanat ausgewählt werden, das einen Durchschnitt von 2 oder mehr reaktionsfähigen Isocyanatgruppen pro Molekül enthält, und der zweite Strom 106 kann als Polyol oder Polyamin ausgewählt werden, das in der Lage ist, mit dem Polyisocyanat zu reagieren und einen Durchschnitt von zwei oder mehr reaktionsfähigen Hydroxyl- oder Aminogruppen pro Molekül enthält.

Einer oder beide Harzströme können einen Reaktionskatalysator enthalten, der fähig ist, die Reaktionsgeschwindigkeit oder den Reaktionsweg der vereinigten Harzströme zu modifizieren.

Diese Harze stellen das dar, was in der Technik als Polyurethansystem bekannt ist, so bezeichnet wegen der Urethanbindungen, die während der Aushärtereaktionen gebildet werden. Chemisch ähnliche Harze sind Polycarbamate und Polyisocyanurate. Ein typisches Harz dieser Art ist Dow Chemical Company's SPECTRIM MM 310, ein Polycarbamatsystem bestehend aus: SPECTRIM MM 310-A, ein Polyisocyanuratharz; SPECTRIM MM 310-B, ein Polyolharz; und SPECTRIM MM 310-C, ein Reaktionskatalysator (typischerweise dem Polyol mit 0,10 Gew.-% zugegeben).

Die Wahl des Harzsystems hängt ab von der Größe und der Form des herzustellenden Gegenstandes sowie der chemischen und mechanischen Eigenschaften, die bei der Anwendung des Endproduktes gefordert werden. Polyurethane, Polycarbamate und Polyisocyanurate liefern schnelle Reaktionen und somit hohe Produktionsraten, aber geringere Steifigkeit und andere mechanische Eigenschaften als Polyester- und Epoxyharze. Polyester- und Epoxyharze bieten im allgemeinen höhere mechanische Eigenschaften, reagieren aber allgemein langsamer als Polyurethane, Polycarbamate und Polyisocyanate.

Es versteht sich, daß viele andere reaktionsfähige Harzsysteme verwendet werden können, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zum Tränken einer Faser mit Harz, welche Vorrichtung aufweist:

i) eine Imprägnierungsdüse (52) mit einem Einlaßende (54) und einem Auslaßende (56) und einer dazwischen ausgebildeten zentralen Durchführungsöffnung (58), die eine entsprechende Größe für das Hindurchziehen zumindest einer harzgetränkten Faser (60) hat, wobei das Einlaßende der Imprägnierungsdüse eine verjüngte Öffnung (62) aufweist, die von zumindest einer verjüngten Oberfläche gebildet ist, welche die zentrale Durchführungsöffnung konvergierend schneidet;

ii) einen Harzzuführungskopf (72), der im Inneren der verjüngten Öffnung angeordnet ist und mit dieser zusammenwirkt, wobei ein Abschnitt des Harzzuführungskopfes in einem Abstand von der verjüngten Oberfläche liegt, um das Einziehen zumindest einer Faser dazwischen und anschließend in die zentrale Durchführungsöffnung hinein zu ermöglichen, wobei der Harzzuführungskopf eine Mischseite (82) aufweist, der Harzzuführungskopf erste Harzströmungsöffnungsmittel (84) und zweite Harzströmungsöffnungsmittel (90) aufweist, die durch ihn hindurch ausgebildet sind, und die Harzströmungsöffnungsmittel getrennte Harzströmungsöffnungen in der Mischseite bilden;

iii) Mittel zum Strömungsleiten eines ersten Harzstromes (100) durch die ersten Harzströmungsöffnungsmittel und eines zweiten Harzstromes durch die zweiten Harzströmungsöffnungsmittel, wobei die Harzströme miteinander co-reaktionsfähig und aushärtbar sind, wenn sie vermischt werden, wobei die durch die getrennten Harzströmungsöffnungen in der Mischseite abgegebenen Harzströme sich anschließend am unmittelbaren Eingang der Imprägnierungsdüse (52) vermischen, wobei die vermischten Harzströme die zumindest eine Faser durchtränken; und

iv) Mittel zum Abziehen der harzgetränkten Faser von der Mischseite, bevor das die Faser tränkende vermischte Harz aushärtet;

dadurch gekennzeichnet, daß

v) Ultraschallantriebsmittel (116) betriebsmäßig an den Harz zuführungskopf angeschlossen sind und in der Lage sind, den Harzzuführungskopf in Vibration zu versetzen, und daß die Mischseite (82) der zentralen Durchführungsöffnung benachbart liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischseite (82) senkrecht zu einer zentralen Längsachse (85) liegt, welche axial durch die zentrale Durchführungsöffnung hindurch definiert ist.

3. Verfahren zum Harztränken einer Faser mit Hilfe einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welches Verfahren das Durchziehen der Faser zwischen dem Harzzuführungskopf und der verjüngten Oberfläche der Imprägnierungsdüse hinein in die zentrale Durchführungsöffnung umfaßt; das Strömungsleiten eines ersten Harzstromes durch die ersten Harzströmungsöffnungsmittel und eines zweiten Harzstromes durch die zweiten Harzströmungsöffnungsmittel, wobei die beiden Harzströme miteinander co-reaktionsfähig und aushärtbar sind, wenn sie vermischt werden, wobei die Harzströme durch die getrennten Harzströmungsöffnungen in der Mischseite abgegeben werden und sich anschließend vermischen, wobei die vermischten Harzströme die zumindest eine Faser mit vermischtem Harz durchtränken; und das Abziehen der harzgetränkten Faser von der Mischseite, bevor das die Faser tränkende vermischte Harz aushärtet, gekennzeichnet durch das Vorsehen von Ultraschallantriebsmitteln (116), die betriebsmäßig an den Harzzuführungskopf angeschlossen sind und in der Lage sind, den Harzzuführungskopf in Vibration zu versetzen, und durch das Einschalten der Ultraschallantriebsmittel, um den Harzzuführungskopf in Vibration zu versetzen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Harzströme neben der Mischseite vermischen und miteinander reagieren und anschließend die Faser durchtränken.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch den Schritt des Einbeziehens - im Anschluß an den Schritt des Abziehens der harzgetränkten Faser von der Mischseite bevor das die Faser tränkende vermischte Harz aushärtet - des Schrittes des Zulassens des Aushärtens des vermischten Harzes, bevor die harzgetränkte Faser aus dem Auslaßende der Imprägnierungsdüse abgezogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallantrieb mit einer Frequenz von 15 bis 25 kHz betrieben wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Harzstrom ein Polyisocyanatharz und der zweite Harzstrom ein mit einem Katalysator versehenes Polyolharz ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com