WO2008055460A2

WO2008055460A2 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen herstellung von prepregs

Info

Publication number: WO2008055460A2
Application number: PCT/DE2007/001843
Authority: WO
Inventors: Rainer Förster; Matthias Voigt
Original assignee: Ifc Composite Gmbh
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2008-05-15
Also published as: WO2008055460A3; DE102006052136A1; DE102006052136B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Prepregs (11), bei dem ein Faserstrang (2) aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern mit einer noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix (14) benetzt sowie an seiner Oberseite und an seiner Unterseite mit einer Abdeckmaterialbahn (3, 4) abgedeckt wird, und bei dem der mit den Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckte kunststoffmatriximprägnierte Faserstrang (2) schließlich als Prepreg (11) in vorbestimmte Längen abgeschnitten oder zu einer Rolle aufgerollt wird. Mit der Erfindung soll erreicht werden, dass die Fasern in gewünschter Ausrichtung in eine diesbezügliche Fertigungsvorrichtung (1) gelangen und dort mit der unteren und der oberen Abdeckmaterialbahn (3, 4) derart belegt werden, dass die flüssige Kunststoffmatrix in ausreichender Menge zu allen Fasern des Faserstranges (2) gelangt, dass der Umfang von Faserbruch minimiert und eine Faltung der Fasern quer zur Längserstreckung des Faserstranges (2) vermieden wird. Hierzu ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der Faserstrang (2) mit der nicht abgebundenen Kunststoffmatrix (14) und den beiden Abdeckmaterialbahnen (3, 4) auf einem konvex gekrümmten und beheizten Heiztisch (6) zusammengeführt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Prepregs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Prepregs gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs der Patentansprüche 1 beziehungsweise 16.

Unter dem Begriff Prepreg wird bekanntermaßen ein Halbzeug bzw. ein Vorprodukt zur Herstellung von Gegenständen aus einem Faserverbundmaterial verstanden. Ein Prepreg besteht aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffmatrix. Dabei können die Endlosfasern unidirektional ausgerichtet sein oder als Gewebe oder Gelege vorliegen. Bei der Kunststoffmatrix handelt es sich üblicherweise um eine Mischung aus einem Kunstharz, einem Härter sowie einem Beschleuniger. Des Weiteren können spezielle Zuschlagstoffe zur Erzeugung weiterer gewünschter Eigenschaften des Prepregs beigefügt werden. Als Kunstharze kommen beispielsweise Harze auf der Basis von Epoxidharz oder Vinylesterharz zur Anwendung.

Zur Herstellung von Prepregs werden die Fasern in gewünschter Weise auf einem Träger abgelegt und anschließend mit der Kunststoffmatrix benetzt. Durch Kühlen, bis zum Einfrieren, des Prepregs wird das chemische Reagieren des Härters mit dem Kunstharz so lange verhindert, bis das Prepreg zur Herstellung eines Endproduktes verwendet werden soll. So werden beispielsweise zur Herstellung eines Faserverbund-Endproduktes mehrere Prepreg-Lagen übereinander geschichtet und anschließend zugeschnitten. Durch ein dann folgendes Erwärmen dieses Werkstücks über die Reaktionstemperatur des Härters hinaus beginnt der Aushärtevorgang, der schließlich zu dem gewünschten Endprodukt führt. Sofern diese Erwärmung in einer Presse oder in einem Autoklaven durchgeführt wird, lassen sich luftblasenfreie Endprodukte mit sehr hohem Faseranteil und vergleichsweise geringem Kunststoffmatrixanteil herstellen. Um Prepregs in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess erzeugen zu können, muss einer diesbezüglichen Fertigungsvorrichtung ein Strang aus den genannten Endlosfasern zugeführt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Fasern in der gewünschten räumlichen Orientierung verbleiben. Die Faserverteilung soll dabei also üblicherweise homogen sein. Zudem soll bei der Zuführung und Weiterverarbeitung des Faserstranges ein möglichst geringer Faserbruch eintreten.

Außerdem muss der Faserstrang mit der genannten Kunststoffmatrix, also der Mischung von zumindest Kunstharz, Härter und Beschleuniger, benetzt werden. Dabei ist es wichtig, dass die Verteilung der Kunststoffmatrix gleichmäßig erfolgt bzw. alle Fasern des Faserstranges von der Kunststoffmatrix imprägniert werden. Zudem darf nicht zuviel Kunststoffmatrix auf den Faserstrang gelangen, da dieses ein seitliches Ablaufes der überschüssigen Flüssigkeit in unerwünscht großem Umfang zur Folge hätte.

Sofern der erzeugte Prepreg-Strang in gewünschte Längsstücke geschnitten oder als eine Rolle aufgewickelt und anschließend zwischengelagert werden soll, ist der Faserstrang bei der Herstellung des Prepreg-Stranges bevorzugt an seiner Unterseite und an seiner Oberseite mit einer Abdeckmaterialbahn abzudecken. Beim Auflegen dieser Abdeckmaterialbahnen auf den Faserstrang kann es dazu kommen, dass die Fasern der oberen und/oder der unteren Faserlage des Faserstranges in nicht gewollter Weise quer zu Längserstreckung des Faserstranges gefaltet werden. In einen Faserverbund-Endprodukt tragen derart gefaltete Fasern nur wenig zu den gewünschten Materialeigenschaften bei, weshalb eine solche Faserfaltung vermieden werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Prepregs vorzuschlagen, mit denen die oben beschriebenen technischen Probleme gemeistert werden können. So soll insbesondere erreicht werden, dass die Fasern in einer gewünschten Ausrichtung in eine diesbezügliche Fertigungsvorrichtung gelangen und dort mit einer unteren und einer oberen Abdeckmaterialbahn belegt werden, dass die noch nicht abgebundene Kunststoffmatrix in ausreichender Menge zu allen Fasern des Faserstranges gelangt, dass der Umfang von Faserbruch minimiert wird, und dass eine Faltung der Fasern quer zur Längserstreckung des Faserstranges vermieden wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den zugeordneten Unteransprüchen entnehmbar.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Zusammenführen des Faserstranges mit einer unteren und/oder einer oberen kunststoffmat- rixbelegten Abdeckmaterialbahn oder einem anderen flexiblen Flächengebilde auf einem Heiztisch mit einer konvex geformten Oberfläche alle genannten Anforderungen für die Herstellung eines optimalen Prepregs erfüllbar sind.

Die Erfindung geht daher zur Lösung der verfahrensbezogenen Aufgabe gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs aus von einem Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Prepregs, bei dem ein Faserstrang aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern mit einer noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix benetzt sowie an seiner Oberseite und an seiner Unterseite mit einer Abdeckfolie oder mit beschichtetem Papier abgedeckt wird, und bei dem der mit diesem Abdeckmaterial abgedeckte kunststoffmatriximprägnierte Faserstrang schließlich als Prepreg in vorbestimmte Längen abgeschnitten oder zu einer Rolle aufgerollt wird. Gemäß der Erfindung ist bei diesem Verfahren außerdem vorgesehen, dass der Faserstrang mit der nicht abgebundenen Kunststoff matrix und den beiden Abdeckmaterialbahnen auf einem konvex gekrümmten und beheizten Heiztisch zusammengeführt wird.

In Ausgestaltung dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass zumindest eine der beiden Abdeckmaterialbahnen vor deren Kontakt mit dem Faserstrang auf der zu dem Faserstrang weisenden Seite mit der noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix beschichtet wird.

Außerdem ist das Verfahren bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckte Faserstrang auf dem Heiztisch aufgeheizt sowie mit einer aus der auf den Faserstrang sowie die Abdeckmaterialbahnen wirkenden Zugkraft und aus der Krümmung der Tischoberfläche resultierenden Normalkraft derart beaufschlagt wird, dass die Kunststoffmatrix zu den einzelnen Fasern fließt und diese benetzt.

Dadurch, dass die beiden Abdeckmaterialbahnen dann mit dem Faserstrang zusammengeführt werden, wenn dieser auf der Oberfläche des konvex gekrümmten Heiztisches bewegt wird, wirkt auf diese Compositestruktur eine vergleichsweise kleine Normalkraftkomponente derjenigen Zugkraft, mit der der Faserstrang und die beiden Abdeckmaterialbahnen durch die Fertigungsvorrichtung gezogen werden. Die Zuführung der Kunststoffmatrix erfolgt zumindest mittels zumindest einer der beiden Abdeckmaterialbahnen, die auf ihrer zu dem Faserstrang weisenden Seite mit diesem dickflüssigen Werkstoff belegt ist. Dadurch, dass der Heiztisch eine im Vergleich zur Umgebungstemperatur bzw. zur Temperatur der Fasern und der Kunststoffmatrix erhöhte Temperatur aufweist, wird die Kunststoffmatrix im Bereich des Heiztisches dünnflüssiger gemacht, so dass diese die Fasern imprägnierend tief in den Faserstrang eindringen kann. Aufgrund der vergleichsweise geringen Anpresskräfte, die auf den durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckten Faserstrang wirken, und dadurch, dass keine Anpressrollen benötigt werden, wird der Faserbruch vergleichsweise gering gehalten. Schließlich sorgt das Bewegen der beiden Abdeckmaterialbahnen und der Fasern des Faserstranges mit der gleichen Geschwindigkeit über den Heiztisch dafür, dass keine aufgrund von etwaigen Differenzgeschwindigkeiten verursachten Faserfaltungen quer zur Längserstreckung des Faserstranges erfolgt.

In vorteilhafter Ausgestaltung dieser Erfindung kann vorgesehen sein, dass die untere Abdeckmaterialbahn auf der Oberfläche des Heiztisches und die obere Abdeckmaterialbahn um eine Ablegrolle geführt werden, bevor diese Abdeckmaterialbahnen mit dem Faserstrang im Bereich des Heiztisches in Kontakt gelangen. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die obere Abdeckmaterialbahn auf ihrer vor der Ablegrolle oben befindliche Unterseite leicht mit der dickflüssigen Kunststoffmatrix beschichtet werden kann. Andererseits kann die untere, ebenfalls kunststoffmatrixbeschichtete Abdeckmaterialbahn schon vor ihrem Kontakt mit den Fasern des Faserstranges über einen eingangsseitigen Oberflächenabschnitt des Heiztisches geführt werden, auf dem die untere Abdeckmaterialbahn und die darauf befindliche Kunststoffmatrix erwärmt werden, wodurch die Viskosität der Kunststoffmatrix zum besseren Eindringen in den Faserstrang schon frühzeitig ansteigt.

Da eine vergleichsweise große linienförmige Kraft von Andrückrollen auf den zu imprägnierenden Faserstrang bzw. die darauf abgelegten Abdeckmaterialbahnen vermieden werden soll, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Auflegkraft der Auflegrolle kleiner ist als die Normalkraftkomponente derjenigen Zugkraft, mit der der Faserstrang zusammen mit den Abdeckmaterialbahnen über den Heiztisch gezogen wird. Durch diese Auslegung wird erreicht, dass auf den mit den Abdeckmaterialbahnen versehenen Faserstrang nur vergleichsweise geringe Anpresskräfte wirken, mit deren Hilfe die noch flüssige Kunststoffmatrix in die Tiefe des Faserstranges befördert wird.

Von Bedeutung ist in diesem Zusammenhang auch, dass die Anwendung dieser vergleichsweise geringen Normalkräfte bzw. Anpresskräfte über eine relativ lange Wegstrecke entlang des Heiztisches bzw. über einen vergleichsweise langen Zeitraum aufrechterhalten werden. Begünstigt wird die Imprägnierung der Fasern des Faserstranges durch die weitere Funktion des Heiztisches, welcher die Fasern, die Abdeckmaterialbahnen sowie die Kunststoffmatrix aufheizt und letztere damit dünnflüssiger macht als außerhalb desselben.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Heiztisch derart beheizt wird, dass er zumindest drei unterschiedliche Heizzonen auf- weist. Der Begriff Heizzone bezieht sich hierbei auf solche Bereiche des Heiztisches, unter oder in denen Heizvorrichtungen angeordnet sind. Benachbarte Bereiche werden ebenfalls mit erwärmt, jedoch unterliegt dies keiner gezielten Temperaturregelung.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine eingangsseitige Heizzone des Heiztisches eine mittlere Oberflächentemperatur zwischen 80⁰C und 120⁰C, vorzugsweise zwischen 9O⁰C und 110⁰C aufweist, dass eine mittlere Heizzone eine mittlere Oberflächentemperatur zwischen 130⁰C und 170⁰C, vorzugsweise zwischen 140⁰C und 160⁰C aufweist, und dass eine ausgangsseitige Heizzone des Heiztisches eine mittlere Oberflächentemperatur zwischen 60⁰C und 90°C, vorzugsweise zwischen 70⁰C und 90⁰C aufweist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die eingangsseitige Heizzone des Heiztisches eine mittlere Oberflächentemperatur von 100⁰C aufweist, die mittlere Heizzone eine mittlere Oberflächentemperatur von 150⁰C hat, und die ausgangsseitige Heizzone eine mittlere Oberflächentemperatur von 80⁰C aufweist.

Durch diese Temperaturführung des auf der Oberfläche des Heiztisches geführten und abgedeckten Faserstranges wird die Kunststoffmatrix so beein- flusst, dass diese in der eingangsseitigen Heizzone auf eine mittlere Viskosität, in der mittleren Heizzone auf eine hohe Viskosität und in der ausgangsseitigen Heizzone auf eine vergleichsweise geringe Viskosität hat. Auf diese Weise wird die Benetzung aller Fasern des Faserstranges mit der flüssigen Kunststoffmatrix erreicht und ausgangsseitig des Heiztisches die Viskosität der Kunststoffmatrix so eingestellt, dass sich das dann erreichte Verhältnis von Fasern und Kunststoffmatrix nicht gravierend verändert. Ein günstiger Faseranteil im später fertigen Faserverbund-Endprodukt von 50% bis 60% ist so erreichbar.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und harzmatrixdurchdrungene Faserstrang unmittelbar hinter dem Heiztisch eine mittlere Temperatur zwischen 60°C bis 90°C aufweist. Um die Viskosität der Kunststoffmatrix auf der unteren Abdeckmaterialbahn möglichst schon bei dem ersten Kontakt derselben mit dem Faserstrang vergleichsweise hoch eingestellt zu haben, sieht eine weitere Variante des Verfahrens vor, dass dort, wo die untere Abdeckmaterialbahn erstmals den Heiztisch berührt, die Oberfläche des Heiztisches eine mittlere Temperatur von 40⁰C bis 90⁰C aufweist.

Zur weiteren Stabilisierung des Systems aus Fasern, Abdeckmaterialbahnen und Kunststoffmatrix während der Produktion des Prepreg-Stranges wird es als vorteilhaft erachtet, wenn der durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und harzmatrixdurchdrungene Faserstrang in Transportrichtung hinter dem Heiztisch über einen Kühltisch geführt und dort abgekühlt wird. Dabei wird der durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und harzmatrixdurchdrungene Faserstrang derartig abgekühlt, dass dieser in Transportrichtung hinter dem Kühltisch eine mittlere Temperatur zwischen 15°C und 35⁰C aufweist, welches zunächst ausreicht, um ein Aushärten der Kunststoffmatrix zu verhindern.

Als optimale Transportgeschwindigkeit des Faserstranges und der Abdeckmaterialbahnen hat sich bei einer Heiztischlänge von etwa 3 Metern und den genannten Heiztischtemperaturen ein Wert von 0,05 m/s bis 0,2 m/s als praktikabel erwiesen.

Um eine möglichst glatte Oberfläche des Prepregs zu erzielen, kann in Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass der durch die Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und harzmatrixdurchdrungene Faserstrang im Bereich des auslaufseitigen Endes des Heiztisches von zumindest einer Glättrolle mit einer Kraft beaufschlagt wird, die kleiner oder gleich groß ist wie die Auflagekraft der Auflegrolle und kleiner ist als die Normalkraftkomponente der Zugkraft auf den durch die Abdeckmaterialbahnen bedeckten Faserstrang. Durch diese Krafteinstellung wird erreicht, dass sich nichts an der erreichten vorteilhaften Prepreg-Struktur ändert, sondern dass lediglich die obere Abdeckmaterialbahn, sofern nötig, geglättet wird.

Hinsichtlich der Fasern des Faserstranges sei darauf hingewiesen, dass diese unidirektional ausgerichtet oder als Gewebe oder als Gelege angeordnet sein können, ohne dass die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile verloren gehen. Gleiches gilt für die konkrete Zusammensetzung der Kunststoffmatrix und/oder den Werkstoff der Fasern, die beispielsweise als Glasfasern, Carbonfasern oder Aramidfasern ausgebildet sein können.

Die untere Abdeckmaterialbahn besteht bevorzugt aus einer Kunststofffolie und die obere Abdeckmaterialbahn bevorzugt aus einem beschichteten Papiermaterial.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, mit der das gerade geschilderte Produktionsverfahren durchführbar ist. Gemäß den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs geht die Erfindung diesbezüglich aus von einer Vorrichtung zur Herstellung von Prepregs aus einem Faserstrang mit zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern und mit zwei kunststoffmatrixbelegbaren Abdeckmaterialbahnen. Diese Vorrichtung ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch: einen Heiztisch und eine Ablegrolle zur Führung und Ablage einer oberen Abdeckmaterialbahn auf den Faserstrang, eine konvex gekrümmte Heiztischoberfläche zur Führung einer unteren Abdeckmaterialbahn und des Faserstranges, und zumindest drei Heizzonen an dem Heiztisch zum Aufheizen der Abdeckmaterialbahnen, der Kunststoffmatrix und des Faserstrangs, wobei die Krümmungsgeometrie der Oberfläche des Heiztisches sowie die Oberflächentemperaturen der zumindest drei Heizzonen derart gewählt sind, dass die Normalkraftkomponente einer auf den Faserstrang und die beiden Abdeckmaterialbahnen wirkenden Zugkraft die flüssige Kunststoffmatrix von zumindest einer der Abdeckmaterialbahnen zu den Oberflächen aller Fasern im Faserstrang führt.

Gemäß einer Ausgestaltung dieser Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Ablegrolle oberhalb der ersten, eingangsseitigen Heizzone des Heiztisches angeordnet ist. Außerdem dient diese Ablegrolle zur Umlenkung der Bewegungsrichtung der oberen Abdeckmaterialbahn.

Des Weiteren wird es als vorteilhaft beurteilt, wenn vor der eingangseitig ersten Heizzone ein konvex gekrümmter Abschnitt des Heiztisches vorhanden ist, auf dessen Oberfläche die untere Abdeckmaterialbahn führbar ist, der mittelbar von der ersten Heizzone mit beheizbar ist, und dessen Temperatur unterhalb der Temperatur der ersten Heizzone bleibt. Auf diesem eingangseitigen Abschnitt des Heiztisches kann die Kunststoffmatrix auf der unteren Abdeckmaterialbahn frühzeitig erwärmt und so deren Viskosität erhöht werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Fertigungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass im Bereich des ausgangseitigen Endes des Heiztisches zumindest eine Glättrolle derart angeordnet ist, dass diese mit einer vergleichsweise geringen Glättkraft auf die Oberseite des mit der oberen Abdeckmaterialbahn belegten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges pressbar ist.

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn in Transportrichtung gesehen hinter dem Heiztisch ein Kühltisch zur Abkühlung des mit den Abdeckmaterialbahnen abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges angeordnet ist.

Schließlich ist diese Vorrichtung bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass in Transportrichtung gesehen vor der Auflegrolle bzw. vor dem eingangseitigen Abschnitt des Heiztisches jeweils eine Zuführvorrichtung zur Beschichtung wenigstens einer der Abdeckmaterialbahnen mit einer Kunststoffmatrix angeordnet ist. Zur weiteren Verdeutlichung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel beschrieben. In der beigefügten einzigen Zeichnungsfigur ist eine Fertigungsvorrichtung 1 gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Mit dieser Fertigungsvorrichtung 1 ist in einem kontinuierlichen Herstellprozess ein Prepreg-Strang 11 herstellbar, der entweder zu einer Rolle aufgewickelt oder in Stücke gewünschter Länge abgeschnitten werden kann.

Um diesen Prepreg-Strang herzustellen, wird der Fertigungsvorrichtung 1 ein Faserstrang 2 aus einer Mehrzahl von Kunstfasern zugeführt, die in dem hier gewählten Beispiel als parallel zueinander ausgerichtete Glasfasern ausgebildet sind. Der Fertigungsvorrichtung 1 werden zudem eine obere Abdeckmaterialbahn 3 und eine untere Abdeckmaterialbahn 4 zugeführt, welche mittels Zuführvorrichtungen 12, 13 mit einer noch flüssigen Kunststoffmatrix 14 beschichtet werden. Die Beschichtung mit der Kunststoffmatrix 14 erfolgt dabei derart, dass diejenige Seite der beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 belegt wird, welche später in Kontakt mit dem Faserstrang 2 gelangt.

Das Zusammenführen des Faserstranges 2 und der beiden mit der Kunststoffmatrix 14 belegten Abdeckmaterialbahnen 3, 4 erfolgt auf einer konvex gekrümmten Oberfläche 15 eines Heiztisches 6 im Bereich einer ersten Heizzone S1 von drei Heizzonen S1 , S2 und S3 desselben. Diese Heizzonen sind mit einer nicht dargestellten elektrischen Heizung oder Warmwasserheizung ausgestattet, welche eine vergleichsweise genaue Einstellung der Oberflächentemperatur der Heiztischoberfläche 15 in den jeweiligen Heizzonen ermöglichen.

Vor dem Zusammenführvorgang wird die obere Abdeckmaterialbahn 3 über eine Ablegrolle 5 geführt, so dass sich die mit der Kunststoffmatrix 14 belegte Oberfläche der oberen Abdeckmaterialbahn 3 in Richtung zum Faserstrang 2 wendet. Die untere Abdeckmaterialbahn 4 wird abweichend davon über einen eingangsseitigen Abschnitt 16 des Heiztisches 6 geführt, welcher axial vor der ersten Heizzone S1 ausgebildet ist und von der Heizung der ersten Heizzone S1 nur mittelbar mit beheizt wird. Beim Überstreichen der etwa T1 = 50⁰C heißen Heiztischoberfläche 15 in diesem eingangsseitigen Abschnitt 16 wird die untere Abdeckmaterialbahn 4 und die darauf befindliche Kunststoffmatrix bereits erwärmt, so dass sich deren Viskosität erhöht.

Das Zusammenführen des Faserstranges 2 mit den beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 erfolgt wie erwähnt im Bereich der ersten Heizzone S1, in der die Oberflächentemperatur des Heiztisches 6 etwa 100⁰C beträgt. Dabei legt die Ablegrolle 5 die obere Abdeckmaterialbahn 3 mit einer vergleichsweise geringen Ablegkraft F1 auf, welche weitgehend keine Presswirkung auf den darunter liegenden Faserstrang 2 hat.

Der Transport der Kunststoffmatrix 14 von der oberen und der unteren Abdeckmaterialbahn 3, 4 in die Tiefe des Faserstranges 2 hin zu jeder einzelnen Faser erfolgt im Wesentlichen hinter der Ablegrolle 5, wenn die Kompositstruktur aus Faserstrang 2, Abdeckmaterialbahnen 3, 4 und Kunststoffmatrix 14 mit einer auf diese wirkende Zugkraft F6 über den konvex gekrümmten Heiztisch 6 mit seinen drei unterschiedlichen Heizzonen S1 , S2 und S3 gezogen wird. Da dieser mit den Abdeckmaterialbahnen belegte Faserstrang 2 über die konvex gekrümmte Heiztischoberfläche 15 gezogen und hinsichtlich seiner Bewegungsrichtung dieser konvexen Geometrie folgt, resultiert aus der Zugkraft F6 eine Normalkraft F2, welche die beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 mit ihrer Kunststoffmatrix 14 und die Fasern des Faserstranges 2 gegen den Heiztisch drücken. Dabei durchdringt die erhitzte Kunststoffmatrix 14 den Faserstrang 2, so dass alle seine Fasern schonend und vergleichsweise langsam imprägniert werden. Eine ausreichend große Tischlänge verbunden mit einer auch diesbezüglich angepassten Transportgeschwindigkeit V sorgen dafür, dass trotz der vergleichsweise geringen Normalkraft F2 der Faserstrang 2 vollständig von der Kunststoffmatrix 14 durchdrungen wird.

Dadurch, dass bei dem Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit der Kunststoffmatrix 14 keine Anpress- oder Kalanderwalzen mit vergleichsweise hohen Anpressdrücken verwendet werden, ist der zu verzeichnende Faserbruch vorteilhaft klein. Da alle Fasern des Faserstranges 2 sowie die obere Abdeckmaterialbahn 3 und die untere Abdeckmaterialbahn 4 mit der gleichen Geschwindigkeit über den Heiztisch 6 gezogen werden, entstehend keine bzw. nur eine vernachlässigbare Relativgeschwindigkeiten dieser Elemente gegeneinander, so dass die eingangs erläuterte Faserfaltung nicht oder nur unwesentlich auftritt.

Um die Verweildauer auf dem Heiztisch 6 zu minimieren oder um den Heiztisch vergleichsweise kurz bauen zu können, ist dieser mit den bereits genannten drei Heizzonen S1, S2, S3 versehen. Diese Heizzonen ermöglichen eine systematische Temperaturführung insbesondere der Kunststoffmatrix 14, wobei zunächst eine gezielte Temperaturerhöhung und damit Viskositätserhöhung durchgeführt wird, welche das Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit der Kunststoffmatrix 14 erleichtert. Anschließend wird die Temperatur wieder reduziert.

In dem hier beschriebenen Beispiel beträgt die Oberflächentemperatur des Heiztisches 6 in der eingangsseitigen Heizzone S1 etwa 100⁰C, in der dann folgenden zweiten Heizzone S2 etwa 150⁰C und in der ausgangsseitigen dritten Heizzone S3 etwa 8O⁰C.

In Transportrichtung gesehen hinter der Ablegrolle 5 sind an der Fertigungsvorrichtung drei Glättrollen 7, 8 und 9 angeordnet, die mit einer vergleichsweise geringen Auflagekraft bzw. Glättkraft F3, F4, F5 auf die Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 drücken und dadurch ein Glätten derselben durchführen. Ein solches Glätten der Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 kann sinnvoll sein, da die Ablegkraft F1 der Ablegrolle 5 verhältnismäßig gering ist.

Beim Verlassen des Heiztisches 6 beträgt die mittlere Temperatur T5 des folienbedeckten und kunststoffmatrixdurchtränkten Faserstranges 2 in diesem Ausführungsbeispiel etwa 60⁰C. Um diese Temperatur weiter abzusenken und um insbesondere das chemische Reagieren des Härters mit dem Kunstharz der noch flüssigen Kunststoffmatrix 14 zu verhindern bzw. zu stoppen, wird dieser Faserstrang 2 über die gekühlte Oberfläche eines Kühltisches 10 gezogen, an dessen Ende der Faserstrang als nun fertiger Prepreg-Strang 11 eine mittlere Temperatur T6 von etwa 20⁰C aufweist. Anschließend wird der Prepreg-Strang in Stücke definierter Länge abgeschnitten oder zu einer Rolle aufgewickelt. Die Abdeckmaterialbahnen 3, 4 ermöglichen ein problemloses Abwickeln von der Rolle oder ein Vereinzeln von gestapelten Prepregs.

Bezugszeichen

1 Fertigungsvorrichtung

2 Faserstrang; Faser

3 Obere Abdeckmaterialbahn

4 Untere Abdeckmaterialbahn

5 Auflegrolle

6 Heiztisch

7 Glättrolle

8 Glättrolle

9 Glättrolle

10 Kühltisch

11 Prepreg, Prepreg-Strang

12 Zuführvorrichtung für die flüssige Kunststoffmatrix

13 Zuführvorrichtung für flüssige Kunststoffmatrix

14 Flüssige Kunststoffmatrix

15 Heiztischoberfläche

16 Eingangseitiger Abschnitt des Heiztisches

T1 Oberflächentemperatur des eingangsseitigen Abschnitts 16

51 Heizzone

52 Heizzone

53 Heizzone

T5 Temperatur des Prepreg-Stranges ausgangsseitig

T6 Temperatur des Prepreg-Stranges hinter dem Kühltisch

V Geschwindigkeit

F1 Auflegekraft der Auflegrolle 5

F2 Normalkraftanteil der Zugkraft F6 auf den Strang

F3 Andrückkraft der Glättrolle 7

F4 Andrückkraft der Glättrolle 8 F5 Andrückkraft der Glättrolle 9 F6 Zugkraft

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Prepregs (11), bei dem ein Faserstrang (2) aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern mit einer noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix (14) benetzt sowie an seiner Oberseite und an seiner Unterseite mit einer Abdeckmaterialbahn (3, 4) abgedeckt wird, und bei dem der mit den Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckte kunststoffmatriximprägnierte Faserstrang (2) schließlich als Prepreg (11) in vorbestimmte Längen abgeschnitten oder zu einer Rolle aufgerollt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstrang (2) mit der nicht abgebundenen Kunststoffmatrix (14) und den beiden Abdeckmaterialbahnen (3, 4) auf einem konvex gekrümmten und beheizten Heiztisch (6) zusammengeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Abdeckmaterialbahnen (3, 4) vor deren Kontakt mit dem Faserstrang (2) auf der zu dem Faserstrang (2) weisenden Seite mit der noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix (14) beschichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mit den Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckte Faserstrang (2) auf dem Heiztisch (6) aufgeheizt sowie mit einer aus der auf den Faserstrang (2) sowie die Abdeckmaterialbahnen (3, 4) wirkenden Zugkraft (F6) und aus der Krümmung der Tischoberfläche (15) resultierenden Normalkraft (F2) derart beaufschlagt wird, dass die Kunststoffmatrix (14) zu den einzelnen Fasern fließt und diese benetzt.

4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Abdeckmaterialbahn (4) auf der Oberfläche (15) des Heiztisches (6) und die obere Abdeckmaterialbahn (3) um eine Ablegrolle (5) geführt wird, bevor diese Abdeckmaterialbahnen (3, 4) mit dem Faserstrang (2) im Bereich des Heiztisches (6) in Kontakt gelangen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflegkraft (F1) der Auflegrolle (5) kleiner ist als die Normalkraftkomponente (F2) derjenigen Zugkraft (F6), mit der der Faserstrang (2) zusammen mit den Abdeckmaterialbahnen (3, 4) über den Heiztisch (6) gezogen wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Heiztisch (6) derart beheizt wird, dass er zumindest drei unterschiedliche Heizzonen (S1, S2, S3) aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein- gangsseitige Heizzone (S1) des Heiztisches (6) eine mittlere Oberflächentemperatur zwischen 80⁰C und 120⁰C aufweist, dass eine mittlere Heizzone (S2) eine mittlere Oberflächentemperatur zwischen 130⁰C und 170⁰C aufweist, und dass eine ausgangsseitige Heizzone (S3) eine mittlere Oberflächentemperatur zwischen 60°C und 90°C aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ein- gangsseitige Heizzone (S1) des Heiztisches (6) eine mittlere Oberflächentemperatur von 100⁰C aufweist, dass die mittlere Heizzone (S2) eine mittlere Oberflächentemperatur von 150⁰C hat, und dass die ausgangsseitige Heizzone (S3) eine mittlere Oberflächentemperatur von 80⁰C aufweist.

9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckte und kunststoffmatrixdurchdrungene Faserstrang (2) unmittelbar hinter dem Heiztisch (6) eine mittlere Temperatur (T5) zwischen 60°C bis 90°C aufweist.

10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dort, wo die untere Abdeckmaterialbahn (4) erstmals den Heiztisch (6) berührt, die Oberfläche (15) des Heiztisches (6) eine mittlere Temperatur (T1) von 40⁰C bis 9O⁰C aufweist.

11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckte und kunststoffmatrixdurchdrungene Faserstrang (2) in Transportrichtung hinter dem Heiztisch (6) über einen Kühltisch (10) geführt und dort abgekühlt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckte und kunststoffmatrixdurchdrungene Faserstrang (2) in Transportrichtung hinter dem Kühltisch (10) eine mittlere Temperatur (T6) zwischen 15°C und 35°C aufweist.

13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportgeschwindigkeit (V) des Faserstranges (2) und der Abdeckmaterialbahnen (3, 4) zwischen 0,05 m/s und 0,2 m/s beträgt.

14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckte und kunststoffmatrixdurchdrungene Faserstrang (2) im Bereich des auslaufseitigen Endes des Heiztisches (6) von zumindest einer Glättrolle (7, 8, 9) mit einer Kraft (F3, F4, F5) beaufschlagt wird, die kleiner oder gleich groß ist wie die Auflagekraft der Auflegrolle (5) und kleiner ist als die Normalkraftkomponente (F2) der Zugkraft (F6) auf den abgedeckten Faserstrang (2).

15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Faserstranges (2) unidirektional ausgerichtet sind oder als Gewebe oder als Gelege angeordnet sind.

16. Vorrichtung (1) zur Herstellung von Prepregs (11) aus einem Faserstrang (2) mit zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern und mit zwei kunststoffmatrixbelegbaren Abdeckmaterialbahnen (3, 4), gekennzeichnet durch einen Heiztisch (6) und eine Ablegrolle (5) zur Führung und Ablage einer oberen Abdeckmaterialbahn (3) auf den Faserstrang (2), eine konvex gekrümmte Heiztischoberfläche (15) zur Führung einer unteren Abdeckmaterialbahn (4) und des Faserstranges (2), und

- zumindest drei Heizzonen (S1 , S2, S3) an dem Heiztisch (6) zum Aufheizen der Abdeckmaterialbahnen (3, 4), der Kunststoffmatrix (14) und des Faserstrangs (2),

- wobei die Krümmungsgeometrie der Oberfläche (15) des Heiztisches (6) sowie die Oberflächentemperaturen der zumindest drei Heizzonen (S1 , S1 , S2) derart gewählt sind, dass die Normalkraftkomponente (F2) einer auf den Faserstrang (2) und die beiden Abdeckmaterialbahnen (3, 4) wirkenden Zugkraft (F6) die flüssige Kunststoffmatrix (14) von den Abdeckmaterialbahnen (3, 4) zu den Oberflächen aller Fasern im Faserstrang (2) führt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablegrolle (5) oberhalb der ersten, eingangsseitigen Heizzone (S1) derart angeordnet ist, dass eine Umlenkung der Bewegungsrichtung der oberen Abdeckmaterialbahn (3) erfolgt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten, eingangsseitigen Heizzone (S1) ein konvex gekrümmter Abschnitt (16) des Heiztisches (6) vorhanden ist, auf dessen Oberfläche (15) die untere Abdeckmaterialbahn (4) führbar ist, der mittelbar von der ersten Heizzone (S1) mit beheizbar ist, dessen Temperatur (T1) aber unterhalb der Temperatur der ersten Heizzone (S1) bleibt.

19. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des ausgangsseitigen Endes des Heiztisches (6) zumindest eine Glättrolle (7, 8, 9) derart angeordnet ist, dass diese mit einer Glättkraft (F3, F4, F5) auf die Oberseite des mit der oberen Abdeckmaterialbahn (3) belegten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges (2) pressbar ist.

20. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in Transportrichtung gesehen hinter dem Heiztisch (6) ein Kühltisch (10) zur Abkühlung des mit den Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges (2) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in Transportrichtung gesehen vor der Auflegrolle (5) bzw. vor dem eingangseitigen Abschnitt (16) des Heiztisches (6) jeweils eine Zuführvorrichtung (12, 13) zur Beschichtung der Abdeckmaterialbahnen (3, 4) mit einer flüssigen Kunststoffmatrix (14) angeordnet sind.