DE102019125531A1

DE102019125531A1 - Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserstrangabschnitten, Verfahren zum Verstärken von Bauteilen, Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung und Bauteilherstellungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019125531A1
Application number: DE102019125531.7A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Christoph Werner Osterroth; Sebastian Nendel; Marcel Meyer; Lutz PANDER; Percy Pöttrich; Johannes Tietze; Sandra Gelbrich; Henrik Funke
Original assignee: NEWCYCLE KUNSTSTOFFTECHNIK GmbH
Current assignee: NEWCYCLE KUNSTSTOFFTECHNIK GmbH
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserstrangabschnitten, bei dem in einem kontinuierlichen Prozess mit konstanter Bahnwarengeschwindigkeit wenigstens ein Carbonfaserband bereitgestellt, das wenigstens eine Carbonfaserband in einer Faserverarbeitungsrichtung abgezogen und mit beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband aufgespreizt; das wenigstens eine gespreizte Carbonfaserband verfestigt; das wenigstens eine gespreizte und verfestigte Carbonfaserband längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge durchtrennt und die Carbonfaserstränge quer zu der Faserverarbeitungsrichtung zu Carbonfaserstrangabschnitten durchtrennt werden, sowie ein Verfahren zum Verstärken von Bauteilen, bei dem erfindungsgemäß hergestellte Carbonfaserstrangabschnitte in ein aushärtbares Material eingebracht werden. Die Erfindung beinhaltet ferner eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung mit wenigstens einem Carbonfaserbereitstellungsmodul, einem Spreizmodul, wenigstens einem Verfestigungsmodul, einem Längstrennmodul, einem Quertrennmodul und wenigstens einer einen durchgehenden Materialtransport von dem Carbonfaserbandbereitstellungsmodul bis zu dem Quertrennmodul ermöglichenden Materialfördereinrichtung. Zusätzlich enthält die Erfindung eine Bauteilherstellungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung und einem mit dieser über eine Fördereinrichtung verbundenen Matrixmaterialbereitstellungsmodul.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserstrangabschnitten. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verstärken von Bauteilen. Die Erfindung betrifft ferner eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung sowie eine Bauteilherstellungsvorrichtung.
Technische Verstärkungsfasern, hier Carbonfasern, gewinnen aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften zunehmend an Bedeutung. In Form von Kurzfasern (bis 25 mm Länge) finden sie in Kunststoff- und Betonbauteilen besonders bei der Gestaltung von filigranen und dünnwandigen Strukturen Anwendung. Mit Hilfe der Verstärkungsfasern kann eine Steigerung der mechanischen Festigkeiten und in Bezug auf Betonanwendungen eine Verringerung des Rissfortschritts im Fall eines Bauteilversagens erzielt werden. Zur bestmöglichen Ausnutzung des Materialpotenzials müssen die Fasern zu kleinen Faserbündeln vereinzelt, auf eine definierte Länge getrennt und homogen verteilt in den Verbundwerkstoff integriert werden.
Bei der Verwendung von herkömmlichen Stahlarmierungen in Betonbauteilen ist oftmals eine Mindestüberdeckung von 25 mm und mehr notwendig, damit ein entsprechender Korrosionsschutz gewährleistet werden kann. Durch die Verwendung von technischen Fasern als Armierung kann wesentlich filigraner gebaut werden, die Durchtrocknungszeit ist wesentlich geringer und die Verteilung der Armierung im Beton ist wesentlich homogener und muss nicht erst an entsprechender Stelle vorfixiert werden. Dies ermöglicht eine höhere Flexibilität ebenso wie eine signifikante Reduzierung des Vorbereitungsaufwandes zur Einbringung und Fixierung bei gleichzeitiger Reduzierung von konventionellen Stahlarmierungen bei der Betonverarbeitung und eine größere Gestaltungsvielfalt bei der Bauteilauslegung.
Die Faserverstärkung kann dabei unter Verwendung von Endlosfasern, z. B. einem aus Endlosfasern hergestellten Gewebe oder Gelege, und damit produziertem Textilbeton, oder unter Verwendung von Kurzfasern, welche eine Länge bis 25 mm aufweisen, und daraus hergestelltem Faserbeton, in den Frischbeton eingebracht werden. Die besten mechanischen Eigenschaften werden bei einer Kombination aus Textil- und Faserbeton erreicht.
Bereits 1970 kamen erste Betonwerkstoffe mit kurzen Stahldrähten zur Verstärkung auf den Markt. Dies hatte allerdings nur eine untergeordnete Bedeutung, da es noch keine Bemessungsmethode wie für den Stahlbeton gab. Mit den später vorliegenden Bemessungen für Faserbeton eröffneten sich zahlreiche Anwendungsgebiete. In den Folgejahren wurde an zahlreichen weiteren Armierungsmaterialien wie z. B. Natur- oder Glasfasern geforscht. Diese konnten sich jedoch aus verschiedenen Gründen, wie unzureichender Festigkeit und/oder fehlender Alkaliresistenz, am Markt nur bedingt durchsetzen. In den letzten Jahren wurde zudem vermehrt die Anwendung von Carbonfasern untersucht. Diese finden allerdings vorwiegend in Form endlos-faserverstärkter Verstärkungen, z. B. in Form von Geweben oder Gelegen, Anwendung, da hier die hervorragenden mechanischen Eigenschaften besonders zum Tragen kommen. Die Verwendung von Carbonschnittfasern ist derzeit aufgrund des hohen Materialpreises bei geringen Tex-Zahlen nicht wirtschaftlich.
Bei der konventionellen Herstellung von Carbonschnittfasern (Chopped Carbon Fibers) werden zunächst Carbon-Endlosfasern (z. B. 24k ≙ 1600g/1000m oder 50k ≙ 3300g/1000m) gefertigt und auf Kerne aufgespult. Die Verarbeitung zu Schnittfasern wird erst in einem nachgelagerten Prozess durchgeführt.
Zahlreiche Hersteller bieten solche Carbonschnittfasern üblicherweise in einer Länge von 6 mm bereits an. Die Schnittfasern oder Schnittfaserbündel verfügen dabei aufgrund eines Schlichteauftrags bei der Faserherstellung über einen guten Zusammenhalt, entsprechen aber nicht den für die Anwendung im Beton- oder Asphaltbereich geforderten Eigenschaften und mechanischen Festigkeiten.
Carbonschnittfasern für die Anwendung in Betonbauteilen (≤ 200 tex) sind derzeit am Markt nicht erhältlich. Daher besteht derzeit nur die Möglichkeit, die Carbonschnittfasern aus Endlos-Rovings (≤ 200 tex) durch Quertrennen bzw. Schneiden zu erzeugen. Carbonfaser-Rovings solcher Feinheiten zeichnen sich durch einen sehr hohen spezifischen Preis aus, da die Carbonfaserherstellung aufgrund des energieintensiven Prozesses für diese Faserfeinheit sehr ineffizient ist.
Die Verbundeigenschaften des Faserbetons sind besonders von der Faserverteilung, der Textur und dem Fasergehalt im Beton abhängig. Das Ziel ist eine homogene Verteilung und eine ungerichtete, multidirektionale Orientierung der Fasern. Bei der Faserverstärkung werden wasserdispersible und integrale Kurzfasern unterschieden. Wasserdispersible Kurzfasern dispergieren im Beton vollständig, die Faserbündel lösen sich beim Kontakt mit Wasser und besitzen somit eine sehr große Verbundfläche zum Beton. Integrale Fasern liegen hingegen in einer Betonmatrix als Filamentbündel vor, bei denen nur die Randfilamente Kontakt zum Beton aufweisen. Dies stellt eine Anwendungsgrenze integraler Fasern für Betonanwendungen dar. Zur Gewährleistung guter mechanischer Eigenschaften dürfen bei Carbonfasern die Kurzfasern deshalb eine Faserfeinheit von 200 tex nicht überschreiten. Diese Faserfeinheit wird bereits bei einer Filamentzahl ab 3000 Filamenten je Roving überschritten.
Mit zunehmendem Fasergehalt im Beton steigen die Festigkeiten des Verbundwerkstoffes, während die Fließfähigkeit des Frischbetons und die Verdichtbarkeit herabgesetzt werden. Unter der Verwendung von wasserdispersiblen Carbon-Kurzfasern mit einem Faservolumengehalt bis 0,9 % konnte in wissenschaftlichen Untersuchungen bereits eine Steigerung der Zugfestigkeit des Betons um ca. 50 % nachgewiesen werden. In der Praxis finden die Carbon-Kurzfasern (≤ 25 mm) jedoch aufgrund des hohen Materialpreises für geeignete Fasern, noch keine breite Akzeptanz.
In der Druckschrift EP 0 881 312 A2 ist ein Verfahren zur gezielten Beschlichtung von Kohlefaserbündeln aus jeweils 20000 bis 150000 Filamenten, sogenannten Heavy-Tows, für das anschließende Erzeugen von Schnittfasern beschrieben. Das beschriebene Verfahren bezieht sich auf ein epoxy-basiertes wasserdispersibles Beschlichtungssystem sowie die anschließende Materialtrocknung. Bei verschiedenen Prozessparametern und Materialkombinationen wurde ein Optimum für die Weiterverarbeitung zu Schnittfasern ermittelt. Als nachteilig erweist sich hier, dass die einzelnen Schnittfasern aufgrund der sehr großen Faserbündel mit einem mittleren Gewicht pro Längeneinheit von 1,7 bis 4 mg/mm noch sehr dick sind und somit selbst unter Verwendung einer wasserdispersiblen Schlichte keine ausreichende Homogenisierung der Fasern im Beton erzielt werden kann.
In der Druckschrift EP 1 788 146 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung wasserdispergierbarer Kohlenstofffasern offenbart. Diese werden durch Bündeln einer Vielzahl von Einzelfasern gebildet. Dabei entstehen auch hier Bündel von 24000 bis 48000 Filamenten. Es wurde die Schlichtezusammensetzung und der -gehalt zur Optimierung der Oberflächenenergie der Fasern ermittelt. Die Faserbündel werden zu Kurzfasern mit einer Länge in einem Bereich von 3 mm bis 30 mm für thermoplastische Anwendungen weiterverarbeitet. Auch hier handelt es sich um sehr schwere Ausgangsfaserbündel, wodurch keine ausreichende Homogenisierung der Kurzfasern im Beton erzielt werden kann.
Verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Faserspreizen sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2005 052 660 B3 , WO 2011 1429 90 A1 , DE 10 2007 012 607 B4 und DE 10 2009 056 197 A1 bekannt.
Aufgrund der hohen Materialkosten für Faserbündel mit einer Filamentzahl von maximal 3000 Einzelfilamenten werden wasserdispersible Carbon-Kurzfasern bisher üblicherweise aus Faserbündeln mit mindestens 24000 Einzelfilamenten, sogenannten Heavy-Tows, hergestellt. Bei der Verarbeitung solcher geschnittener Heavy-Tows kann aufgrund der sehr großen Faserbündel, selbst unter Verwendung wasserdispersibler Schlichte, jedoch keine ausreichende Homogenisierung der Fasern im Beton erzielt werden.
Aus der Druckschrift DE 10 2015 206 389 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung der Filamentanzahl von Faserrovings bekannt, in der erste Faserrovings zunächst gespreizt werden, indem sie über einen die Spreizeinrichtung ausbildenden zylinderförmigen Körper gezogen werden, der eine Mehrzahl von sich in Umfangsrichtung des Körpers aufteilenden Umfangsnuten aufweist. Indem der Faserroving unter Zugspannung in Umfangsrichtung des zylinderförmigen Körpers über diesen gezogen wird, laufen die Fasern des Rovings in die sich fächerförmig aufteilenden Umfangsnuten des zylinderförmigen Körpers ein, folgen den Umfangsnuten und werden auf diese Weise gespreizt.
Direkt nach diesem sehr speziellen Spreizen jeweils in mindestens zwei zweite, parallel zueinander verlaufende Faserrovings mit reduzierter Filamentzahl mittels wenigstens eines Schneidmittels aufgeteilt werden. Dieser Längsschneidvorgang ist vermutlich nur durch die vorhergehende Spreizung mittels der Nuten möglich, die den Fasern eine Vorzugsausrichtung in Längsrichtung verleiht. Ansonsten würde zumindest ein Teil der Fasern in diesem Prozessschritt auch querdurchtrennt werden, wodurch die zweiten Faserrovings in ihrer Länge instabil wären und sich Förderprobleme ergeben würden.
Die bekannte Vorrichtung weist ferner eine weitere Schneideinrichtung zum Schneiden der zweiten Faserrovings weitgehend quer zu ihrer Längsrichtung auf. Dabei entstehen Faserbandabschnitte, die schnell zu Einzelfasern zerfallen können. Die Schneideinrichtung ist ein Bauteil einer automatisierten Vorrichtung zur Herstellung eines Abschnitte des zweiten Faserrovings und Harzwerkstoff aufweisenden Halbzeugbandes. Hierbei fallen die erzeugten Faserbandabschnitte direkt auf eine auf einer Trägerfolie vorher aufgebrachte Harz-Härter-Mischung, wonach die Faserbandabschnitte mittels mehreren Walzen oder Rollen in den Matrixwerkstoff eingearbeitet werden. Dabei muss sehr vorsichtig vorgegangen werden, da sonst die Faserbandabschnitte noch bei deren Einarbeitung in den Matrixwerkstoff auseinanderfallen und damit die gewünschte Bauteilfestigkeit nicht eintritt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Carbonfaserelementen zur Verfügung zu stellen, welche mit einer vorteilhaften Homogenisierung stabil in einem aushärtbaren Material verteilt werden können. Ferner sollen ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung von derartigen Carbonfaserelementen und eine entsprechende Vorrichtung zum Verstärken von Bauteilen mit Hilfe solcher Carbonfaserelemente zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserstrangabschnitten gelöst, bei welchem in einem kontinuierlichen Prozess mit konstanter Bahnwarengeschwindigkeit folgende Schritte in folgender Reihenfolge ausgeführt werden, dass

- wenigstens ein Carbonfaserband bereitgestellt wird;
- das wenigstens eine Carbonfaserband in einer Faserverarbeitungsrichtung abgezogen und mittels beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband aufgespreizt wird;
- das wenigstens eine gespreizte Carbonfaserband zu wenigstens einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband verfestigt wird;
- das wenigstens eine gespreizte und verfestigte Carbonfaserband längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge längsdurchtrennt wird; und
- die Carbonfaserstränge quer zu der Faserverarbeitungsrichtung zu Carbonfaserstrangabschnitten querdurchtrennt werden.

Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete wenigstens eine Carbonfaserband wird in Form eines sogenannten Rovings zur Verfügung gestellt. Rovings sind Bündel oder Stränge aus vielen einzelnen Endlosfasern, den sogenannten Filamenten, die überwiegend parallel und gestreckt aneinander liegen. Die erfindungsgemäß für das wenigstens eine Carbonfaserband verwendeten Rovings können jeweils ein nur aus Carbonfasern ausgebildeter Carbonfaserroving oder auch ein Carbonfasern vorzugsweise überwiegend enthaltender Hybridroving sein, welcher beispielsweise neben Carbonfasern als Verstärkungsfasern auch thermoplastische Fasern aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird wenigstens ein Carbonfaserband mit einer Filamentanzahl von bevorzugt wenigstens 12000, besonders bevorzugt wenigstens 24000 verwendet.
Vorteilhafterweise wird das wenigstens eine Carbonfaserband drehungsfrei bereitgestellt. Dies wird insbesondere durch einen Tangentialabzug des wenigstens einen Carbonfaserbandes von einer Spule gewährleistet.
Insbesondere wird das wenigstens eine Carbonfaserband mit einer konstanten Zugspannung bereitgestellt. Sowohl der Tangentialabzug als auch die konstante Zugspannung werden bevorzugt durch den Einsatz eines elektronisch geregelten Gatters erfüllt.
Beim Bereitstellen des wenigstens einen Carbonfaserbandes sind Faserdrehungen zu vermeiden. Optional können zusätzlich Faserführungselemente für einen optimalen Abzug des wenigstens einen Carbonfaserbandes verwendet werden.
Zum Aufspreizen des wenigstens einen Carbonfaserbandes zu einem gespreizten Carbonfaserband wird das wenigstens eine Carbonfaserband von einem Gatter kommend über ein Lieferwerk einem Spreizmodul zugeführt. Beim Aufspreizen erfolgt ein Auseinanderfächern der Filamente des wenigstens einen Carbonfaserbandes.
Das Spreizmodul ist vorzugsweise variabel einstellbar und ebenfalls vorzugsweise beheizbar. Von Vorteil ist es auch, wenn mit dem Spreizmodul gezielt die jeweilige Spreiztiefe einstellbar ist. Mit dem Spreizmodul wird das wenigstens eine Carbonfaserband auf eine definierte Breite aufgespreizt. Ein vorzugsweise eingesetztes weiteres Lieferwerk zieht das entstehende gespreizte Carbonfaserband mit hoher Spannung durch das Spreizmodul und baut durch eine vorzugsweise omegaförmige Anordnung der Lieferwerkswalzen und eine große Umschlingung die aufgebaute Spannung wieder ab.
In dem wenigstens einen schmalen, teilweise ungleichmäßig breiten Carbonfaserband liegen die Carbonfaserfilamente zunächst mit unterschiedlicher Spannung vor. Beim Aufspreizen zu dem gespreizten Carbonfaserband werden die Carbonfaserfilamente zu einem vergleichmäßigten Band mit definiertem Flächengewicht ausgerichtet. Daraus können in den folgenden Prozessschritten besonders feine Carbonfaserstränge und daraus wiederum Carbonfaserstrangabschnitte erzeugt werden.
Die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes kann kraft- und/oder stoffschlüssig erfolgen. Das gespreizte Carbonfaserband wird zur Verfestigung vorzugsweise mit einem Benetzungsstoff, beispielsweise auf polymerer Basis, benetzt/beschichtet. Man spricht hier vom sogenannten Coating. Als Benetzungsstoff eignen sich vor allem Epoxidharze, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und/oder ausgewählte Minerale. In Abhängigkeit vom ausgewählten Benetzungsstoff sowie dessen Verarbeitungseigenschaften kommen verschiedene Verfahren zum kontinuierlichen Auftrag auf das gespreizte Carbonfaserband infrage.
Vorteilhafterweise wird das gespreizte Carbonfaserband durch Aufbringen wenigstens eines als Benetzungsstoff verwendeten Fluids oder Eintauchen des gespreizten Carbonfaserbandes in wenigstens ein Fluid und nachfolgende Trocknung und/oder Härtung des mit dem Fluid versehenen gespreizten Carbonfaserbandes zu einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband verfestigt.
Das Fluid kann beispielsweise über eine Rolle auf das gespreizte Carbonfaserband aufgetragen werden. Von Vorteil ist dabei, wenn das Fluid genau dosiert werden kann und mit einem hohen Durchdringungsgrad aufgebracht wird.
Alternativ kann das Fluid auf das gespreizte Carbonfaserband mittels eines Sprühkopfes aufgesprüht werden. Auch hier ist eine sehr exakte Dosierung möglich, und durch das kontaktlose Auftragen wird die Anlagenverschmutzung minimiert.
Eine weitere Alternative ist die Förderung des gespreizten Carbonfaserbandes durch ein Eintauchbad, welches das Fluid enthält. Mit dieser Variante kann vorteilhafterweise ein vollständiges Benetzen des gespreizten Carbonfaserbandes mit dem Fluid erfolgen.
In einer anderen Ausführungsform erfolgt eine einseitige Benetzung des gespreizten Carbonfaserbandes mit Fluid mittels einer einseitig in ein das Fluid enthaltendes Tauchbad eingetauchten rotierenden Rolle, die durch ihre Rotation das Fluid aus dem Tauchbad mitnimmt und das über die Rolle geführte gespreizte Carbonfaserband mit diesem mitgenommenen Fluid benetzt.
Durch die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes wird ein sauberer, reproduzierbarer Trennvorgang des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes gewährleistet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge durchtrennt.
Das Längsdurchtrennen überführt das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband in nebeneinander liegende Carbonfaserstränge mit einer geforderten Feinheit (100 tex ≤ Tt ≤ 200 tex). Unter der Voraussetzung, dass sich ein Carbonfaser-Heavy-Tow (50 k, 3300 tex) auf eine vorteilhafte Breite von 50 mm reproduzierbar aufspreizen lässt, resultiert für das Längsdurchtrennen des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes eine Schnittbreite b je Spur von 1,5 mm ≤ b ≤ 3 mm (für 100 tex ≤ Ttziel ≤ 200 tex). Für das Erzeugen solch schmaler Tapestreifen muss ein sauberer Trennvorgang gewährleistet werden. Dies birgt besonders große Herausforderungen hinsichtlich des Werkzeugverschleißes beim Durchtrennen querlaufender Carbonfasern.
Für diesen mechanischen Trennvorgang kommen verschiedene Verfahren infrage:

Zum einen kann das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband über wenigstens eine ortsfeste Klinge geführt werden. Hier ist das Durchtrennen ein Durchschneiden. Diese Realisierung ist besonders kostengünstig.

Alternativ kann das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband für dessen Längsdurchtrennung über wenigstens ein rotierendes Rundmesser geführt werden und damit auch längsdurchschnitten werden. Bei dieser Methode ist der Werkzeugverschleiß geringer und es wirken nur geringe Schnittkräfte.
Eine weitere Möglichkeit des Durchtrennens ist die Förderung des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes über eine Ultraschall-Klinge mit alternierender Auf-Ab-Bewegung relativ zum Carbonfaserband. Hierbei wirken vorteilhafterweise ebenfalls nur geringe Schnittkräfte.
Zur Erzeugung der Carbonfaserstrangabschnitte sind die längs der Faserverarbeitungsrichtung verlaufenden Carbonfaserstränge nach dem Längsdurchtrennen quer zur Faserorientierung auf die gewünschte Faserlänge zu durchtrennen. Zur Gewährleistung einer hohen Anlagen-Produktivität soll dies ohne Unterbrechung des kontinuierlichen Prozesses geschehen. Man spricht hier vom sogenannten Cut on the fly.
Für den mechanischen Trennvorgang quer zur Faserrichtung kommen verschiedene Verfahren infrage.
Zum einen kann das Durchtrennen mittels wenigstens einer Klinge erfolgen, welche in der Art einer Guillotine alternierende Bewegungen quer zu den Carbonfasersträngen ausübt. Hier werden die längsgeschnittenen Carbonfaserstränge also querdurchschnitten. Diese Realisierung ist kostengünstig.
Alternativ kann das Durchtrennen der Carbonfaserstränge mittels wenigstens eines Rundmessers erfolgen, welches alternierende Bewegungen quer zu den Carbonfasersträngen ausübt. Diese Realisierung ist vorteilhafterweise mit einem geringen Werkzeugverschleiß verbunden.
Eine weitere Möglichkeit ist das Durchtrennen der Carbonfaserstränge mittels einer sich kontinuierlich drehenden Messerwelle. Bei diesem kontinuierlichen Trennverfahren erfolgt vorteilhafterweise keine Relativbewegung zwischen Schneide und den Carbonfasersträngen.
Die Carbonfaserstrangabschnitte weisen bevorzugt eine Breite von 5 mm bis 50 mm auf.
Es ist besonders günstig, wenn das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband oder die Carbonfaserstränge oder die Carbonfaserstrangabschnitte getrocknet und polymerisiert oder mineralisiert wird bzw. werden.
Vorteilhafterweise werden die Carbonfaserstrangabschnitte durch eine solche Nachbearbeitung separiert, was bewirkt, dass sie im späteren Verbundwerkstoff keine Agglomerate ausbilden. Die Fließfähigkeit eines aushärtbaren Materials, welches die erfindungsgemäßen Carbonfaserstrangabschnitte enthält, wird somit nicht negativ beeinflusst, und eine nahezu homogene Faserverteilung wird erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Additive auf die Carbonfaserstrangabschnitte aufgetragen, die im Verbundwerkstoff eine optimale Haftung zwischen den Fasern und dem aushärtbaren Material gewährleisten.
Die Nachbearbeitung der Carbonfaserstrangabschnitte durch Trocknen und Polymerisieren oder Mineralisieren ist in hohem Maß vom ausgewählten Polymer-basierten System zur Verfestigung abhängig. Daher kann die Nachbearbeitung optional in der Prozesskette hinter den Prozessschritt der Verfestigung integriert werden. Dies kann von Vorteil sein, wenn beispielsweise ein klebendes Carbonfaserband bei den Trennprozessen nicht optimal getrennt werden kann. Gegebenenfalls kann nach der Verfestigung eine zusätzliche Materialtrocknung und/oder Aushärtung erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine Carbonfaserband eine Feinheit von ≥ 800 tex auf und wird das wenigstens eine Carbonfaserband zu dem gespreizten Carbonfaserband mindestens unter Verdopplung der jeweiligen Breite aufgespreizt. Eine Feinheit von 800 tex entspricht einem 12 k - Carbonfaserroving, also einem Carbonfaserroving mit 12000 Filamenten.
Es können zwar grundsätzlich bei der vorliegenden Erfindung auch Carbonfaserbänder mit geringerer Filamentanzahl und damit geringerer Feinheit, wie beispielsweise 1 k - Carbonfaserrovings, die nur 1000 Filamente aufweisen, eingesetzt werden. Jedoch sind diese entsprechend teurer als Carbonrovings mit höherer Filamentanzahl. Die vorliegende Erfindung bietet dagegen den Vorteil, dass ohne Weiteres als Ausgangsmaterial Carbonfaserbänder mit höherer Filamentanzahl genutzt werden können und damit kostengünstiger produziert werden kann, da das wenigstens eine Carbonfaserband und damit dessen Filamente im Prozess aufgespreizt und nachfolgend durchtrennt werden.
Besonders eignen sich für das wenigstens eine Carbonfaserband bei der vorliegenden Erfindung sogenannte Heavy Tows, also Carbonfaserrovings mit einer Filamentanzahl von mehr als 24 k, die kostengünstiger als Carbonfaserrovings mit geringerer Filamentanzahl angeboten werden.
Besonders geeignet ist der Einsatz von beispielsweise 50 k - Carbonfaserrovings (also mit 50000 Filamenten) oder Carbonfaserrovings mit noch größerer Filamentanzahl, die als Carbonfaserbänder bzw. als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden. 50 k - Carbonfaserrovings haben typischerweise eine Feinheit von 3400 tex.
Es ist aber auch möglich, als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren mehrere Carbonrovings bzw. Carbonfaserbänder einzusetzen. So können beispielsweise anstelle eines 50 k - Carbonfaserrovings, 2 x 25 k - Carbonfaserrovings oder 4 x 12,5 k - Carbonfaserrovings als Ausgangsmaterial des Prozesses, das heißt als das wenigstens eine Carbonfaserband, verwendet werden.
Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Verstärken von Bauteilen gelöst, bei welchem mit einer Ausführungsform des oben beschriebenen Verfahrens Carbonfaserstrangabschnitte hergestellt und in ein aushärtbares Material eingebracht werden.
Vorzugsweise werden bei diesem Verfahren die Carbonfaserstrangabschnitte in Frischbeton, in Frischmörtel, in flüssiges Bitumen, in flüssigen Teer und/oder in flüssigen Kunststoff eingebracht.
Vorteilhafterweise kann durch das Einbringen der Carbonfaserstrangabschnitte in ein aushärtbares Material eine Steigerung der mechanischen Festigkeiten des aushärtbaren Materials und in Bezug auf Betonanwendungen eine Verringerung des Rissfortschritts im Fall eines Bauteilversagens erzielt werden.
Die aus dem wenigstens einen Carbonfaserband bzw. Carbonfaserroving ausgebildeten Carbonfaserstrangabschnitte, die jeweils - wie das ursprüngliche Carbonfaserband - in Faserlängsrichtung eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen, liegen in dem aushärtbaren Material ungeordnet vor. Durch die Vermischung der Carbonfaserstrangabschnitte mit dem aushärtbaren Material liegen die Carbonfaserstrangabschnitte auch später, in dem aus dem aushärtbaren Material und den darin eingebrachten Carbonfaserstrangabschnitten ausgebildeten ausgehärteten Materialverbund in ungeordneter Anordnung vor, was bewirkt, dass sich deren Steifigkeit und Festigkeit in allen Raumrichtungen des ausgehärteten Materialverbundes auswirkt. Damit kann ein aus dem ausgehärteten Materialverbund hergestelltes Bauteil vorteilhaft in allen Raumrichtungen hoch mechanisch beansprucht werden.
Durch die Verwendung von Carbonfaserstrangabschnitten als Armierung kann wesentlich filigraner gebaut werden, die Durchtrocknungszeit ist wesentlich geringer und die Verteilung der Armierung beispielsweise im Beton ist wesentlich homogener und muss nicht erst an entsprechender Stelle vorfixiert werden. Dies ermöglicht eine höhere Flexibilität ebenso wie eine signifikante Reduzierung des Vorbereitungsaufwandes zur Einbringung und Fixierung bei gleichzeitiger Reduzierung von konventionellen Stahlarmierungen bei der Betonverarbeitung und eine größere Gestaltungsvielfalt bei der Bauteilauslegung.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung gelöst, welche in einer Faserverarbeitungsrichtung nacheinander

- ein Carbonfaserbandbereitstellungsmodul zum Bereitstellen wenigstens eines Carbonfaserbandes;
- ein Spreizmodul mit beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zum Aufspreizen des wenigstens einen Carbonfaserbandes zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband;
- wenigstens ein Verfestigungsmodul zum Verfestigen des wenigstens einen gespreizten Carbonfaserbandes zu wenigstens einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband;
- ein Längstrennmodul zum Durchtrennen des wenigstens einen gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge;
- ein Quertrennmodul zum Durchtrennen der Carbonfaserstränge quer zu der Faserverarbeitungsrichtung in Carbonfaserstrangabschnitte; und
- wenigstens eine einen durchgehenden Materialtransport von dem Carbonfaserbandbereitstellungsmodul bis zu dem Quertrennmodul ermöglichende Materialfördereinrichtung

Das Carbonfaserbandbereitstellungsmodul gewährleistet bevorzugt eine drehungsfreie Bereitstellung des Carbonfaserbandes. Dies wird insbesondere durch einen Tangentialabzug mit einer konkreten Zugspannung des wenigstens einen Carbonfaserbandes von einer Spule gewährleistet. Besonders bevorzugt ist das Carbonfaserbandbereitstellungsmodul ein elektronisch geregeltes Gatter. Das Carbonfaserbandbereitstellungsmodul kann zusätzlich Faserführungselemente für einen optimalen Abzug des wenigstens einen Carbonfaserbandes aufweisen.
Zum Aufspreizen des wenigstens einen Carbonfaserbandes zu einem gespreizten Carbonfaserband wird der wenigstens eine Carbonfaserband vom Gatter kommend vorzugsweise über ein Lieferwerk einem Spreizmodul zugeführt.
Das Spreizmodul weist bevorzugt mehrere unabhängig voneinander in ihrer Höhe und/oder Temperatur einstellbare Umlenkstäbe auf. Die Spreiztiefe ist somit vorteilhafterweise gezielt einstellbar.
Das wenigstens eine Carbonfaserband wird in dem Spreizmodul auf eine definierte Breite aufgespreizt. Bevorzugt wird das wenigstens eine Carbonfaserband maximal gespreizt.
Bevorzugt ist zwischen dem Spreizmodul und dem Verfestigungsmodul ein Lieferwerk mit einem omegaförmigen Bandverlauf angeordnet, welches das Carbonfaserband mit hoher Spannung durch das Spreizmodul zieht und durch die omegaförmige Anordnung der Lieferwerkswalzen und eine große Umschlingung die aufgebaute Spannung wieder abbaut.
Die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes in dem Verfestigungsmodul kann kraft- und/oder stoffschlüssig erfolgen. Dabei bedeutet der Ausdruck „verfestigt“ in der vorliegenden Erfindung nicht, dass schon eine Endeverfestigung, bei beispielsweise eine Trocknung und/oder Härtung eines auf das gespreizte Carbonfaserband aufgebrachten Benetzungsstoffes vorliegen muss. Eine solche Trocknung und/oder Härtung kann auch nachfolgend noch erfolgen.
Das gespreizte Carbonfaserband wird in dem Verfestigungsmodul vorzugsweise mit einem Benetzungsstoff, meist auf polymerer Basis, benetzt/beschichtet, es findet ein sogenanntes Coating statt. Als Benetzungsstoff eignen sich vor allem Epoxidharze, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) oder ausgewählte Minerale. In Abhängigkeit vom ausgewählten Benetzungsstoff sowie dessen Verarbeitungseigenschaften, kommen verschiedene Verfahren zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Auftrag auf das gespreizte Carbonfaserband infrage.
Vorteilhafterweise wird das gespreizte Carbonfaserband durch Aufbringen wenigstens eines Fluids oder Eintauchen des gespreizten Carbonfaserbandes in wenigstens ein Fluid verfestigt.
Insbesondere kann das Verfestigungsmodul ein Beschichtungsmodul, ein Sprühmodul oder ein Tauchbad aufweisen. Ferner ist es sinnvoll, wenn das Verfestigungsmodul eine sich an das Beschichtungsmodul, das Sprühmodul oder das Eintauchbad anschließende Trocken- und/oder Aushärteeinheit aufweist.
Vorteilhafterweise wird durch die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes im Verfestigungsmodul im weiteren Verfahrensweg ein sauberer, reproduzierbarer Trennvorgang des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes gewährleistet.
Das Längstrennmodul weist bevorzugt wenigstens eine erste Trennvorrichtung auf, welche das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge durchtrennt.
Die erste Trennvorrichtung kann wenigstens eine stehende Klinge, wenigstens ein rotierendes Rundmesser, wenigstens eine Ultraschallschneide mit alternierender Auf-Ab-Bewegung oder eine Kombination aus den vorgenannten aufweisen.
Das Quertrennmodul weist bevorzugt wenigstens eine zweite Trennvorrichtung auf, welche die Carbonfaserstränge quer zur Faserverarbeitungsrichtung in Carbonfaserstrangabschnitte, das heißt sogenannte Carbonfaser-Sticks, durchtrennt.
Die zweite Trennvorrichtung kann wenigstens eine Klinge, wenigstens ein rotierendes Rundmesser und/oder wenigstens eine kontinuierlich drehende Messerwelle aufweisen.
Die Aufgabe wird außerdem durch eine Bauteilherstellungsvorrichtung gelöst, welche eine Ausführungsform der oben beschriebenen Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung und ein mit der Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung über eine Fördereinrichtung verbundenes Matrixmaterialbereitstellungsmodul aufweist.
Vorteilhafterweise können dadurch die hergestellten Carbonfaserstrangabschnitte unmittelbar im Anschluss an ihre Herstellung in ein aushärtbares Material eingebracht werden, welches von dem Matrixmaterialbereitstellungsmodul bereitgestellt wird.
Bevorzugt erzeugt und/oder beinhaltet das Matrixmaterialbereitstellungsmodul Frischbeton, Frischmörtel, flüssiges Bitumen, flüssigen Teer und/oder flüssigen Kunststoff.
Durch die Erfindung ist es möglich, Carbonfaserstrangabschnitte bereit zu stellen, welche mit einer maximalen Homogenisierung in einem aushärtbaren Material verteilt werden können. Die Herstellung der Carbonfaserstrangabschnitte aus wenigstens einem Carbonfaserband mit einer Feinheit von ≥ 800 tex ist zudem kostengünstig und effektiv.
Vorteilhafterweise kann durch das Einbringen der Carbonfaserstrangabschnitte in ein aushärtbares Material eine Steigerung der mechanischen Festigkeiten des aushärtbaren Materials und in Bezug auf Betonanwendungen eine Verringerung des Rissfortschritts im Fall eines Bauteilversagens erzielt werden.
Durch die Verwendung von Carbonfaserstrangabschnitte als Armierung kann wesentlich filigraner gebaut werden, die Durchtrocknungszeit ist wesentlich geringer und die Verteilung der Armierung beispielsweise im Beton ist wesentlich homogener und muss nicht erst an entsprechender Stelle vorfixiert werden. Dies ermöglicht eine höhere Flexibilität ebenso wie eine signifikante Reduzierung des Vorbereitungsaufwandes zur Einbringung und Fixierung bei gleichzeitiger Reduzierung von konventionellen Stahlarmierungen bei der Betonverarbeitung und eine größere Gestaltungsvielfalt bei der Bauteilauslegung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Figuren näher erläutert, ohne dabei auf diese beschränkt zu sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten erfindungsgemäßen Bauteilherstellungsvorrichtung;
2a eine schematische Detailansicht eines in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Verfestigungsmoduls;
2b eine schematische Detailansicht eines alternativ in der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Verfestigungsmoduls;
2c eine schematische Detailansicht eines weiteren alternativen, in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Verfestigungsmoduls;
2d eine schematische Detailansicht noch eines weiteren alternativen, in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Verfestigungsmoduls;
3a eine schematische Detailansicht eines in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Längstrennmoduls;
3b eine schematische Detailansicht eines alternativen, in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Längstrennmoduls;
3c eine schematische Detailansicht eines weiteren alternativen in der vorliegenden Erfindung nutzbaren Längstrennmoduls;
4a eine schematische Detailansicht eines in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Quertrennmoduls;
4b eine schematische Detailansicht eines alternativen, in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Quertrennmoduls; und
4c eine schematische Detailansicht eines weiteren alternativen, in der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Quertrennmoduls.

1 zeigt eine Seitenansicht einer zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten erfindungsgemäßen Bauteilherstellungsvorrichtung.
Die dargestellte Bauteilherstellungsvorrichtung weist im Wesentlichen eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung 10 und ein Matrixbereitstellungsmodul 9 auf.
Die Faserverarbeitungsrichtung A ist durch Pfeile angedeutet.
Die Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung 10 weist in der Faserverarbeitungsrichtung A nacheinander ein Carbonfaserbandbereitstellungsmodul 2, ein Spreizmodul 3, ein Verfestigungsmodul 4, ein Längstrennmodul 5, ein Quertrennmodul 6 und ein Nachbearbeitungsmodul 7 auf.
Durch das Carbonfaserbandbereitstellungsmodul 2 wird wenigstens ein Carbonfaserband 1.1, das heißt ein Carbonfaserroving, drehungsfrei bereitgestellt. Ein solcher Carbonfaserroving hat typischerweise einen elliptischen oder rechteckigen Querschnitt, kann aber auch einen runden Querschnitt aufweisen. Das Carbonfaserband 1.1 besteht aus im Wesentlichen parallel liegenden Kohlenstofffilamenten. Einzelne dieser Kohlenstofffilamente können jedoch auch quer liegen. Das Carbonfaserband 1.1 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Filamentanzahl von wenigstens 24000 Filamenten auf.
Das Bereitstellen des Carbonfaserbandes 1.1 erfolgt durch einen Tangentialabzug mit einer konstanten Zugspannung von einer Spule 2, welche in der hier dargestellten Ausführungsform Bestandteil eines elektronischen Gatters ist.
Das wenigstens eine Carbonfaserband 1.1 wird von dem Carbonfaserbandbereitstellungsmodul 2 kommend über ein Lieferwerk einem Spreizmodul 3 zugeführt, in welchem er zu einem gespreizten Carbonfaserband 1.2 aufgespreizt wird. Das Spreizmodul 3 weist mehrere unabhängig voneinander in ihrer Höhe und/oder Temperatur einstellbare Umlenkstäbe auf, wodurch die Spreiztiefe gezielt einstellbar ist.
Das gespreizte Carbonfaserband 1.2 wird in einem Verfestigungsmodul 4 zu einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband 1.3 verfestigt. Das gespreizte Carbonfaserband 1.2 wird zur Verfestigung in dem Verfestigungsmodul 4 vorzugsweise mit einem Benetzungsstoff, meist auf polymerer Basis, vorzugsweise einem Fluid, benetzt/beschichtet. Als Benetzungsstoff eignen sich vor allem Epoxidharze, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) oder ausgewählte Minerale.
Die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2 ist wichtig für die weitere Verfahrensführung. Hierdurch bilden die Fasern des gespreizten Carbonfaserbandes trotz der Spreizung einen mechanisch belastbaren Verbund, sodass ein definiertes Längs- und Querschneiden möglich ist und darüber hinaus sowohl die erzeugten Carbonfaserstränge 1.4 als auch die daraus erzeugten Carbonfaserstrangabschnitte 1.5, selbst wenn sie später in ein aushärtbares Material 9 eingebracht und mit diesem vermischt werden, eine ausreichende Eigenfestigkeit aufweisen.
Das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 wird anschließend in einem Längstrennmodul 5 längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge 1.4 durchtrennt. Die Carbonfaserstränge 1.4 werden in definierter Breite geschnitten. Die Carbonfaserstränge 1.4 werden auch als Carbonfaserstrands bezeichnet.
Das Durchtrennen ist dabei in der 1 durch ein Scherensymbol angedeutet. Das Längsdurchtrennen des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes 1.3 erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer definierten Schnittbreite b je Spur. Die Schnittbreite b liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 mm ≤ b ≤ 3 mm.
Die Carbonfaserstränge 1.4 werden anschließend in einem Quertrennmodul 6 ohne Unterbrechung des kontinuierlichen Prozesses quer zur Faserorientierung in Carbonfaserstrangabschnitte 1.5, also in geschnittene Carbonfaserstrands, die auch Carbonfaser-Sticks genannt werden, durchtrennt. Das Durchtrennen ist dabei in der 1 durch ein Scherensymbol angedeutet. Die erzeugten Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 weisen eine definierte Länge auf.
In einem Nachbearbeitungsmodul 7 werden die Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 getrocknet und polymerisiert oder mineralisiert. Vorteilhafterweise werden die Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 durch eine solche Nachbearbeitung separiert, was bewirkt, dass sie im späteren Verbundwerkstoff keine Agglomerate ausbilden.
Die Nachbearbeitung der Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 durch Trocknen und Polymerisieren oder Mineralisieren ist in hohem Maß vom ausgewählten Polymer-basierten System zur Verfestigung abhängig. Daher kann die Nachbearbeitung optional in der Prozesskette hinter dem Verfestigungsmodul 4 integriert werden. Dies kann von Vorteil sein, wenn beispielsweise ein klebender gespreizter und verfestigter Carbonfaserstrang 1.3 bei den Trennprozessen nicht optimal getrennt werden kann. Gegebenenfalls kann nach der Verfestigung eine zusätzliche Materialtrocknung/Aushärtung erfolgen.
Über eine Fördereinrichtung ist die Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung 10 mit einem Matrixmaterialbereitstellungsmodul 9 verbunden, derart, dass die Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 in ein durch das Matrixmaterialbereitstellungsmodul 9 bereitgestelltes aushärtbares Material eingebracht werden. Das Matrixmaterialbereitstellungsmodul 9 erzeugt und/oder beinhaltet dabei Frischbeton, Frischmörtel, flüssiges Bitumen, flüssigen Teer und/oder flüssigen Kunststoff.
Vorteilhafterweise können die hergestellten Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 unmittelbar im Anschluss an ihre Herstellung in das aushärtbare Material eingebracht werden. Vorteilhafterweise kann durch das Einbringen der Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 in ein aushärtbares Material eine Steigerung der mechanischen Festigkeiten des aushärtbaren Materials und in Bezug auf Betonanwendungen eine Verringerung des Rissfortschritts im Fall eines Bauteilversagens erzielt werden.
Die 2a bis 2d zeigen jeweils eine Detailansicht verwendbarer Ausführungsformen des Verfestigungsmoduls 4. Die Faserverarbeitungsrichtung ist jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Es ist jeweils das in das Verfestigungsmodul 4 herein geführte gespreizte Carbonfaserband 1.2 und das aus dem Verfestigungsmodul 4 heraus geführte gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 zu erkennen.
In der in 2a dargestellten Variante des Verfestigungsmoduls 4 in Form eines Fließaustragsbeschichtungsmoduls 4a wird ein Fluid 4.1 aus einer Fließaustragsvorrichtung 4.2, wie beispielsweise einem Trichter, über eine rotierende Rolle 4.3 auf das gespreizte Carbonfaserband 1.2 aufgetragen. Von Vorteil ist dabei, dass das Fluid 4.1 genau dosiert werden kann und mit einem hohen Durchdringungsgrad auf das gespreizte Carbonfaserband 1.2 aufgebracht wird.
In der in 2b dargestellten Variante des Verfestigungsmoduls 4 in Form eines Sprühmoduls 4b wird ein Fluid 4.1 mittels einer Sprühvorrichtung, wie z. B. einem Sprühkopf 4.4, auf das gespreizte Carbonfaserband 1.2 aufgesprüht. Auch hier ist eine sehr exakte Dosierung möglich und durch das kontaktlose Auftragen wird die Anlagenverschmutzung minimiert.
In der in 2c dargestellten Variante des Verfestigungsmoduls 4 in Form eines Eintauchbades 4c wird das gespreizte Carbonfaserband 1.2 über mehrere Förderrollen 4.5 durch ein Eintauchbad mit einem Fluid 4.1 vollständig hindurch gefördert und dabei mit diesem allseitig benetzt. Mit dieser Variante kann vorteilhafterweise ein vollständiges Benetzen des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2 erfolgen.
2d zeigt eine schematische Detailansicht eines weiteren alternativen Verfestigungsmoduls 4 in Form eines Tauchbeschichtungsmoduls 4d. Hier erfolgt ein Benetzen des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2 mit einem Fluid 4.1 auf nur einer Seite des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2. Hierfür das gespreizte Carbonfaserband 1.2 unter Verwendung von Förderrollen 4.5 auf einer Oberseite einer rotierenden Rolle 4.6 geführt, während sich eine Unterseite dieser rotierenden Rolle 4.6 in einem Bad mit dem darin vorgesehenen Fluid 4.1 befindet. Durch die Rotation der Rolle 4.6 wird das Fluid 4.1 nach oben mitgenommen und die Unterseite des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2 mit dem Fluid 4.1 benetzt.
Die 3a bis 3c zeigen jeweils eine Detailansicht eines Längstrennmoduls 5. Die Faserverarbeitungsrichtung ist jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Es ist jeweils das in das Längstrennmodul 5 herein geführte gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 und die aus dem Längstrennmodul 5 heraus geführten parallelen Carbonfaserstränge 1.4 zu erkennen.
In der in 3a dargestellten Variante wird das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 über eine ortsfeste Klinge 5.1 geführt. Diese Realisierung ist besonders kostengünstig.
In der in 3b dargestellten Variante wird das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 über ein rotierendes Rundmesser 5.2 geführt. Vorteilhafterweise ist der Werkzeugverschleiß bei dieser Methode geringer und es wirken nur geringe Schnittkräfte.
In der in 3c dargestellten Variante wird das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 über eine Ultraschall-Klinge 5.3 mit alternierender Auf-Ab-Bewegung geführt. Hierbei wirken vorteilhafterweise ebenfalls nur geringe Schnittkräfte.
Die 4a bis 4c zeigen jeweils eine Detailansicht eines Quertrennmoduls 6. Die Faserverarbeitungsrichtung ist jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Es sind jeweils die in das Quertrennmodul 6 herein geführten parallelen Carbonfaserstränge 1.4 und die aus dem Quertrennmodul 6 heraus geführten Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 zu erkennen.
In der in 4a dargestellten Variante erfolgt das Durchtrennen der parallelen Carbonfaserstränge 1.4 mittels einer Klinge 6.1, welche in der Art einer Guillotine alternierende Bewegungen quer zu den Carbonfasersträngen 1.4 ausübt. Diese Realisierung ist vorteilhafterweise kostengünstig.
In der in 4b dargestellten Variante erfolgt das Durchtrennen mittels eines Rundmessers 6.2, welches alternierende Bewegungen quer zu den Carbonfasersträngen 1.4 ausübt. Diese Realisierung weist vorteilhafterweise einen geringen Werkzeugverschleiß auf.
In der in 4c dargestellten Variante erfolgt das Durchtrennen der Carbonfaserstränge 1.4 mittels einer kontinuierlich drehenden Messerwelle 6.3. Bei diesem kontinuierlichen Trennverfahren erfolgt vorteilhafterweise keine Relativbewegung zwischen der Schneide und den Carbonfasersträngen 1.4.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0881312 A2 [0011]
EP 1788146 B1 [0012]
DE 102005052660 B3 [0013]
WO 2011142990 A1 [0013]
DE 102007012607 B4 [0013]
DE 102009056197 A1 [0013]
DE 102015206389 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserstrangabschnitten (1.5), dadurch gekennzeichnet, dass in einem kontinuierlichen Prozess mit konstanter Bahnwarengeschwindigkeit folgende Schritte in folgender Reihenfolge ausgeführt werden, dass - wenigstens ein Carbonfaserband (1.1) bereitgestellt wird; - das wenigstens eine Carbonfaserband (1.1) in einer Faserverarbeitungsrichtung (A) abgezogen und mittels beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband (1.2) aufgespreizt wird; - das wenigstens eine gespreizte Carbonfaserband (1.2) zu wenigstens einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband (1.3) verfestigt wird; - das wenigstens eine gespreizte und verfestigte Carbonfaserband (1.3) längs der Faserverarbeitungsrichtung (A) in mehrere parallele Carbonfaserstränge (1.4) längsdurchtrennt wird; und - die Carbonfaserstränge (1.4) quer zu der Faserverarbeitungsrichtung (A) zu Carbonfaserstrangabschnitten (1.5) querdurchtrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gespreizte Carbonfaserband (1.2) durch Aufbringen wenigstens eines Fluids (4.1) oder Eintauchen des gespreizten Carbonfaserbandes (1.2) in wenigstens ein Fluid (4.1) verfestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband (1.3) oder die Carbonfaserstränge (1.4) oder die Carbonfaserstrangabschnitte (1.5) getrocknet und polymerisiert oder mineralisiert wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Carbonfaserband (1.1) eine Feinheit von ≥ 800 tex aufweist und das wenigstens eine Carbonfaserband (1.1) zu dem gespreizten Carbonfaserband (1.2) mindestens unter Verdopplung der jeweiligen Breite aufgespreizt wird.
Verfahren zum Verstärken von Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche Carbonfaserstrangabschnitte (1.5) hergestellt und in ein aushärtbares Material (9) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfaserstrangabschnitte (1.5) in Frischbeton, in Frischmörtel, in flüssiges Bitumen, in flüssigen Teer und/oder in flüssigen Kunststoff als aushärtbares Material (9) eingebracht werden.
Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) in einer Faserverarbeitungsrichtung (A) in folgender Reihenfolge nacheinander - ein Carbonfaserbandbereitstellungsmodul (2) zum Bereitstellen wenigstens eines Carbonfaserbandes (1.1); - ein Spreizmodul (3) mit beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zum Aufspreizen des wenigstens einen Carbonfaserbandes (1.1) zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband (1.2); - wenigstens ein Verfestigungsmodul (4) zum Verfestigen des wenigstens einen gespreizten Carbonfaserbandes (1.2) zu wenigstens einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband (1.3); - ein Längstrennmodul (5) zum Durchtrennen des wenigstens einen gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes (1.3) längs der Faserverarbeitungsrichtung (A) in mehrere parallele Carbonfaserstrangabsschnitte (1.4); - ein Quertrennmodul (6) zum Durchtrennen der Carbonfaserstränge (1.4) in Carbonfaserstrangabschnitte (1.5) quer zu der Faserverarbeitungsrichtung (A); und - wenigstens eine einen durchgehenden Materialtransport von dem Carbonfaserbandbereitstellungsmodul (2) bis zu dem Quertrennmodul (6) ermöglichende Materialförderei nrichtu ng aufweist.
Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Spreizmodul (3) und dem Verfestigungsmodul (4) ein Lieferwerk mit einem omegaförmigen Bandverlauf angeordnet ist.
Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfestigungsmodul (4) ein Fließaustragsbeschichtungsmodul (4a), ein Sprühmodul (4b), ein Eintauchbad (4c) oder ein Tauchbeschichtungsmodul (4d) aufweist.
Bauteilherstellungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilherstellungsvorrichtung eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9 und ein mit der Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10) über eine Fördereinrichtung verbundenes Matrixmaterialbereitstellungsmodul (9) aufweist.
Bauteilherstellungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterialbereitstellungsmodul (9) Frischbeton, Frischmörtel, flüssiges Bitumen, flüssigen Teer und/oder flüssigen Kunststoff als aushärtbares Material (9) erzeugt und/oder beinhaltet.