WO2022013011A1 - Verfahren und vorrichtung zum imprägnieren mindestens eines fasermaterials - Google Patents

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fiber
feed channel
plastic
impregnation
impregnation device
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Maik Titze
Matteo REGE
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
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    • B29C70/50—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of indefinite length, e.g. prepregs, sheet moulding compounds [SMC] or cross moulding compounds [XMC]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B15/00—Pretreatment of the material to be shaped, not covered by groups B29B7/00 - B29B13/00
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    • B29B15/122—Coating or impregnating independently of the moulding or shaping step of reinforcements of indefinite length with a matrix in liquid form, e.g. as melt, solution or latex
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06B—TREATING TEXTILE MATERIALS USING LIQUIDS, GASES OR VAPOURS
    • D06B5/00—Forcing liquids, gases or vapours through textile materials to effect treatment, e.g. washing, dyeing, bleaching, sizing impregnating
    • D06B5/02—Forcing liquids, gases or vapours through textile materials to effect treatment, e.g. washing, dyeing, bleaching, sizing impregnating through moving materials of indefinite length
    • D06B5/04—Forcing liquids, gases or vapours through textile materials to effect treatment, e.g. washing, dyeing, bleaching, sizing impregnating through moving materials of indefinite length through slivers or rovings

Definitions

  • the invention relates to an impregnation device for impregnating at least one quasi-endless fiber material with a plastic material.
  • the invention relates to a method for this.
  • Fiber rovings which represent a kind of fiber bundle and are formed from a large number of endless fibers, also called filaments, are very often used both in the production of fiber composite components from fiber composite materials and in 3D printing with fiber reinforcement.
  • Fliers include tape laying, thermoforming, winding, pultrusion, autoclave and infusion processes or overmoulding.
  • Fiber bundles e.g. carbon fibers or glass fibers
  • Fiber bundles often consist of several 1000 to 10,000 individual fibers with one Diameters between 3 ⁇ m and 8 ⁇ m and must be impregnated with the liquid plastic (completely penetrated or each individual fiber encased) and then consolidated (geometric final contour with as few foreign and air pockets as possible due to solidification of the plastic).
  • a 3D print head is known, to which a quasi-endless fiber material is fed centrally. Furthermore, a plastic material is fed to the 3D print head with the help of two feed channels, with the fiber material and plastic material ending in a common mixing chamber. The fiber material that is fed through is wetted here with the plastic material, with the material mixture thus formed being output. This allows almost any structure to be developed with an integrated load thread.
  • DE 102017 124 352 A1 discloses a system for producing 3-dimensional structures with a 3D print head, in which 3 or more feed channels are provided, which are arranged around an axial course of the channel for the fiber material , which in particular allows the 3D printing of a fiber-plastic mixture with different plastic materials to be realised.
  • an impregnation device for the production of continuous fiber-reinforced semi-finished products with plastic impregnation in which the quasi-continuous fiber material and the plastic material are fed separately to the impregnation device.
  • the quasi-endless fiber material is now drawn through the pressurized plastic material, sound energy being introduced into the plastic material of the mixing chamber by means of a sonotrode for improved impregnation.
  • DE 102017 124 353 A1 discloses a system for producing 3-dimensional structures with a 3D print head Overpressure source is connected, so as to create an overpressure at the entrance of the material supply for the fiber material.
  • This overpressure is intended to prevent plastic material from rising into the fiber feed channel and thus causing the problems described above.
  • the disadvantage here is the high system complexity and limitation of the mobility of the 3D print head, especially at a high placement speed. Because the fiber material, together with its fiber magazine, has to be accommodated in a closed pressure vessel in order to obtain an overall closed system. In addition, the use of compressed air increases the risk of air inclusions forming in the matrix material, which then lead to defects within the component.
  • EP 0 712 716 A1 discloses a method and a device for impregnating endless fibers or fiber bundles with a melted thermoplastic material, the fibers or rovings passing through an impregnation zone which has the form of a damped vibration. This should improve the spreading of the rovings and thus the impregnation result.
  • a split tool is also provided to improve roving insertion and tool cleaning. However, even with this device, it cannot be prevented that the material fed into the tool Plastic material emerges at the entrance of the fiber material feed due to the feed pressure.
  • a highly viscous plastic material is understood to mean, in particular, a plastic material which has a viscosity of essentially more than 8000 mPas (milli-Pascal seconds) at a predetermined process temperature. This is to be distinguished from low-viscosity plastic materials that have a viscosity of up to 300 mPas.
  • Thermoplastics which are often found in hybrid 3D printing, often have a viscosity of 300 Pas to 10,000 Pas. Depending on how much the plastic material is sheared when it comes into contact with the fiber, the viscosity can also be well below the usual zero viscosity (3000 - 10,000 Pas).
  • the specified process temperature is understood to mean that temperature of the plastic material at which the plastic material is used for impregnation. In the case of thermoplastics, this is in particular the temperature at which the plastic material is melted and can thus impregnate the fiber bundle accordingly.
  • Another challenge in the continuous impregnation of rovings using an automated impregnation device is the insertion of the fiber bundle at the very beginning of the process.
  • the feed channel provided for the fiber material must be able to thread the fiber material into the impregnation device at the entry point.
  • an impregnation device for impregnating at least one quasi-endless fiber material is claimed, the quasi-endless fiber material being impregnated with a plastic material which is melted at a corresponding process temperature.
  • the fiber material can in particular be rovings or fiber bundles, which consist of a large number of individual, quasi-endless fibers or filaments.
  • the fiber material can be formed from carbon fibers or glass fibers, for example. However, other fiber materials are certainly also conceivable.
  • the fiber material can in particular be that fiber material which is part of a fiber composite material for the production of a fiber composite component. In particular, these can be fiber materials that are used in additive or generative manufacturing processes, such as 3D printing using a 3D printing system.
  • the plastic material can be a thermoplastic or thermoset plastic material.
  • the plastic material can in particular be a highly viscous plastic material.
  • it can be a plastic material that is part of a fiber composite material for fixing a fiber composite component.
  • Such plastic materials are also referred to as matrix materials.
  • the impregnation device has generically at least one fiber feed channel with a fiber inlet in order to feed the quasi-endless fiber material to the impregnation device. Furthermore, the impregnation device of the generic type has at least one plastic feed channel with a plastic inlet that is separate from the fiber inlet, in order to supply the required plastic material with which the fiber material is impregnated through the impregnation device. to be impregnated to perform separately from the fiber material of the impregnation.
  • the plastic inlet of the plastic feed channel can have a closure device in order to connect the impregnation device to a storage container for the plastic material. By means of the closure device, a supply hose, in particular flexible, can be connected to the impregnation device, which is formed at the opposite end with the storage container and optionally with a pressure source for generating a transport pressure.
  • the at least one fiber feed channel and the at least one plastic feed channel are separate at least in sections in the impregnation device. Both the fiber feed channel and the plastic feed channel then open into a common impregnation cavity in order to impregnate the quasi endless fiber material with the fed and melted plastic material.
  • the impregnation takes place mainly and preferably completely in the impregnation cavity.
  • both the fiber feed channel and the plastic feed channel have a first section in which both feed channels are separate and at least a second section in which the fiber material and the plastic material are guided in a common channel section. In the second section, the fiber feed channel and the plastic feed channel are thus formed by a common channel.
  • the impregnation device has a backflow blocking area, in which the fiber feed channel has an S-shaped course at least in sections, which is formed by two curves with opposite directions of curvature, between which the fiber feed channel is combined with the at least one plastic feed channel, so that subsequently swept a common channel section is formed.
  • This non-return area (the course of the fiber feed channel is S-shaped in sections) is preferably located in the remaining part of the impregnation device and not in the fiber inlet or in the area of the impregnation cavity.
  • the fiber material lies in the respective radius of curvature of the S-shaped course, whereby the direction of curvature changes due to the S-shaped course and the fiber material thus changes once during transport through the fiber feed channel (conveying direction, extrusion direction).
  • first inner side and once on an opposite second inner side are first inner side and once on an opposite second inner side.
  • the fiber material itself already forms a non-return valve, since the fiber material always lies against the inside due to the change of sides and thus forms a natural non-return valve for the plastic material. It has been shown that due to the continuous movement of the fiber material, which acts on the plastic material as it rises in the conveying direction, the melt pressure is reduced counter to the conveying direction to such an extent that the plastic material is not between the inside of the fiber feed channel where the fiber mass material is applied, and the fiber material itself can be pressed.
  • a natural non-return valve formed by an S-shaped course can effectively prevent the supplied plastic material from rising up into the fiber feed channel. Due to the continuous conveyance of the fiber material and the associated tensile stress on the fiber material, the plastic material under pressure cannot get into the section of the fiber feed channel lying above (seen in the conveying direction) of the first bend.
  • the continuous conveyance of the fiber material also prevents the plastic material from penetrating and penetrating the fiber material conveyed past there at the point where the plastic feed channel meets the fiber feed channel penetrates, whereby the plastic material would break through the non-return valve.
  • the continuous conveyance of the fiber material prevents complete soaking at this point and thus ensures that the plastic material cannot overcome the non-return valve.
  • knowledge about this can be used in a targeted manner to ensure partial pre-impregnation of the fiber material without completely penetrating it. Here by the impregnation result can be improved.
  • Such an impregnation device can be part of a system for printing quasi-endless fiber materials impregnated with plastic.
  • the curvatures of the fiber feed channel are designed in such a way that the fiber material is guided along a first inner side of the fiber feed channel with contact at the first bend and on a second inner side of the fiber feed channel opposite the first inner side at the second bend.
  • the at least one plastic feed channel opens into the fiber feed channel on the first inner side of the fiber feed channel between the first and second curvature.
  • the plastic feed channel opens into the fiber feed channel on the inside, against which the fiber material rests at the first bend located above (in relation to the conveying direction) of the inlet. This is starting from the A opening into the fiber feed channel against the conveying direction of the fiber feed channel blocked by the fiber material.
  • the impregnation device has at least one heating device, which is designed to temper the fiber material and/or the plastic material.
  • tempering the plastic material By tempering the plastic material, it remains at the process temperature in order to accelerate the impregnation process.
  • tempering the fiber material What is achieved is that the process temperature remains constant or substantially constant even when the plastic material comes into contact with the fiber material and no negative properties are formed by cooling the plastic material on the fiber material.
  • the filament device has an electrode arranged in the fiber feed channel at a position at which the fibrous material is guided along the electrode with contact, the filament device being set up to generate a current flow in an electrically conductive fiber material by means of the electrode is.
  • Such an electrode can preferably be arranged in a bend, more precisely on the inside of the bend, in the fiber feed channel.
  • the heating device also has a counter-electrode, which can also be provided in the impregnation device or can be arranged outside the impregnation device (e.g. fiber magazine or at the exit point of the impregnation device).
  • a current flow in the electrically conductive fiber material is brought about between the electrode and the counter-electrode, as a result of which the fiber material heats up in the manner of resistance heating.
  • the current flow is brought about by applying an electrical voltage to the electrode and/or counter-electrodes.
  • the width of the fiber feed channel essentially corresponds to the width of the fiber material. In this way, the fiber feed channel can be blocked even better by the fiber material in the area where the plastic feed channel opens, in order to prevent the plastic material from rising.
  • the fiber inlet is a component that is separate from the rest of the impregnation device, which is designed to be arranged detachably on the impregnation device and which has at least two individual elements that can be brought from an open state to a closed state, which in the closed state have at least one Form section of the fiber feed channel.
  • the fiber introduction is a separate component that can be detachably arranged on the impregnation device.
  • the component can therefore be brought from an unassembled state to an assembled state and back again.
  • the separate component can thus be detachably mounted on the impregnation device and removed again.
  • the open state here means a non-assembled or non-assembled state
  • the closed state means an assembled or assembled state.
  • the fiber introduction in the form of a component that is separate from the rest of the impregnation device has at least two individual elements that can be brought from an open state to a closed state. In the closed state, the component can then be mounted on the impregnation device. In the open state, access to the interior of the section formed by the introduction of the fiber from the fiber feed channel is possible.
  • the individual elements can be present as separate elements that are only physically assembled and brought into the closed state when the fiber introduction is installed on the impregnation device. However, it is also conceivable that the individual elements are connected to one another by a hinge device or pivoting device which is designed in such a way that the individual elements can be moved from an open state to a closed state and back.
  • the fiber guide can now be removed from the impregnation device, the fiber material can be inserted into the impregnation device and then the fiber material used can be surrounded by the fiber guide at the beginning when the fiber guide is assembled and on the impregnation device is installed.
  • this section of the fiber feed channel formed by the fiber introduction in the closed state has a Having a cross-sectional shape which essentially corresponds to the cross-sectional shape of the fiber material to be fed.
  • this section of the fiber feed channel has in particular a cross-sectional area which is only slightly larger than the cross-sectional area formed by the fiber material.
  • the cross-sectional area of the fiber feed channel section of the fiber inlet transverse to the conveying direction of the fiber material corresponds to a maximum of 30 times (preferably a maximum of 20 times and particularly preferably a maximum of 10 times) the theoretical cross-sectional area of the fiber bundle or the fiber material.
  • the theoretical cross-sectional area of a fiber bundle is the sum of the cross-sectional area of the individual fibers, which results from the number of individual fibers and the cross-sectional area of an individual fiber layer or an individual filament.
  • the greatly reduced cross-sectional area transverse to the conveying direction reliably prevents the plastic material fed under pressure into the impregnation device from rising, with threading in of a roving being possible without any problems due to the modular structure of the fiber introduction.
  • the parting plane of the individual elements of the fiber inlet lies in the axis of the section of the fiber feed channel formed by the fiber inlet.
  • a part of the inside of the section of the fiber feed channel formed by the fiber inlet is therefore present in each individual element.
  • the section of the fiber feed channel is then formed by the fiber introduction. This makes it easier in particular to load the impregnation device with the fiber material and to clean relevant components.
  • a closure device which is designed for arranging the individual elements of the fiber introduction on the impregnation device in a positive and/or non-positive manner.
  • a closure device can have a centering device (for example by means of locking elements and/or tongue and groove elements) into which the individual elements are inserted, the individual elements being attached by means of a union nut the impregnation device can be fixed. Also conceivable are clamping devices in which the individual elements are pressed together.
  • the closure device has the further advantage that the section of the fiber feed channel formed by the fiber insertion is centered at the mechanical interface in relation to the subsequent section of the fiber feed channel in the rest of the impregnation device, so that the fiber material can be easily removed from the first section of the fiber feed channel ( in the fiber inlet) into the second section of the fiber feed channel (in the rest of the impregnation device, the flap assembly) can be conveyed continuously.
  • the cross-sectional area of the section formed by the fiber feed as the first section of the fiber feed channel is smaller than a second section of the fiber feed channel in the rest of the impregnation device that directly follows the fiber feed.
  • the fiber inlet thus has a narrower section of a fiber feed channel than the rest of the impregnation device, which makes it particularly easy to thread the fiber material into the impregnation device, while a plastic material can be reliably prevented from rising into the fiber feed channel of the fiber inlet.
  • the section formed by the fiber insertion runs essentially in a straight line, in a wavy or double-S-shape, or that the first section formed by the fiber insertion has at least one curvature.
  • the cross-sectional shape (transverse to the fiber guide) is preferably rectangular (advantageous if the fiber material (roving) is supplied already spread) or round or oval (advantageous if the fiber material has not previously been spread).
  • other cross-sectional shapes are also conceivable, such as, for example, multiply curved.
  • the fiber material is guided particularly gently through the fiber feed, since the friction of the fiber material on the inner wall of the fiber feed channel is minimized.
  • the friction of the fiber material on the inner wall of the fiber feed channel is increased, but the changing directions of the fiber guide can promote both a spreading of the fiber material, which improves the impregnation of the fiber material with the synthetic material, and the rising of the fiber material
  • Plastic material in the Ab section of the fiber feed channel formed by the fiber introduction are still better un terbunden.
  • the fiber material itself always forms a barrier to the further rise of the liquid plastic material. Because of the change in direction of the curvatures in a double-S-shaped course, the fiber material rests at least once on the first inner side and at least once on the opposite second inner side, so that the plastic material is prevented from rising further by the fiber material itself.
  • the backflow blocking area is arranged in front of the impregnation cavity in the conveying direction of the fiber material.
  • the non-return area is provided in a non-return component which is detachably attached or can be attached to an impregnation component having the impregnation cavity, with the fiber inlet being or being arrangeable as a separate component on the non-return component.
  • the entire impregnation device can be constructed in a modular manner.
  • the conveying speed of the fiber material can be between 0.3 m/min and up to 50 m/min (preferably 3 m/min to 15 m/min).
  • the conveyor speed The speed of the plastic material can be identical or differ from the conveying speed of the fiber material (up to 30%).
  • the fiber bundles made of carbon fiber, glass fiber, natural fiber, etc. as a roving can contain 1,000 to 50,000 individual fibers. However, it is also conceivable for several fiber bundles to be fed in simultaneously or one after the other via a number of feed units. It is also conceivable that a plurality of fiber bundles are spread out and fed in as a wide band. The fiber bundles can be spread open by the impregnation device in front of the impregnation cavity, in particular spread flat.
  • the impregnation device has corresponding spreading elements. It is advantageous if the fiber bundle is heated to a temperature of between 50° C. and 1000° C. (150° C. and 500° C.) in advance or by means of the heating device of the impregnation device.
  • the actual process temperature depends on the plastic used and in particular on the rheological properties of the liquid plastic.
  • the fiber bundles can be prestressed with a force of more than 5 Newtons and below the critical tensile force at which damage to the fibers would occur and be continuously promoted through the impregnation device.
  • the pressure of the liquid plastic (melt pressure) can be between 5 bar and 1,000 bar (preferably between 5 bar and 400 bar).
  • the impregnation device has an outlet or outlet channel downstream of the impregnation cavity in the conveying direction, through which the impregnated fiber material is discharged.
  • a nozzle can be connected to the impregnation device in order to extrude the impregnated fiber material (extrusion impregnation).
  • a further aspect of the present invention relates to a non-return component for use in an impregnation device for impregnating a quasi-endless loose fiber material with a plastic material, the non-return component having at least one fiber feed channel with a fiber inlet to feed in the quasi-endless loose fiber material, and at least one plastic feed channel with egg has a separate plastic lead-in to the fiber lead-in in order to Feeding plastic material separately to the fiber material, the at least one fiber feed channel and the at least one plastic feed channel being present separately at least in sections.
  • the impregnation device has a non-return area in which the fiber feed channel has an S-shaped course, at least in sections, which is formed by two curves with opposite directions of curvature, between which the fiber feed channel is combined with at least one plastic feed channel, so that a common Channel section is formed.
  • the fiber material is guided through an S-shaped course of the fiber feed channel in a backflow blocking area provided in the impregnation device, with the plastic material being pressed between the two curves of the S-shaped course through the plastic feed channel opening in between into the common channel section.
  • FIG. 1 shows an impregnation device according to the invention
  • FIG. 2 shows a non-return valve component
  • FIG. 3 shows the non-return valve component in an isometric view
  • FIG. 4 representation of the fiber introduction in a further embodiment
  • FIG. 5 representation of the fiber introduction in a further embodiment
  • FIG. 6 representation of the fiber introduction with temperature control elements
  • FIG. 7 representation of a fiber spreading before fiber introduction
  • FIG. 8 representation of a further embodiment for tempering
  • FIG. 9 schematic representation of a non-return valve using fiber material.
  • Figure 1 shows a complete view of the impregnation device 100 with a backflow blocking component 110, an impregnation component 120 and a spreading component 130 for spreading the fiber material 10 to be introduced.
  • the fiber material 10 (fiber bundle) located in a fiber magazine is guided through the spreading component 130, which has a roller system 131 which is designed in such a way that the fiber bundle is spread open.
  • the fiber material 10 is then introduced into the non-return component 110 .
  • a liquid plastic 12 is also fed into this backflow blocking component 110 , which is then combined with the supplied fiber material 10 and is intended to completely impregnate the fiber material 10 in the impregnating component 120 .
  • the fiber material 10 impregnated with the plastic 12 is then extruded from a nozzle 121 .
  • the non-return component 110 has a plurality of non-return valves 112, as will be shown in detail later. At the upper end of the non-return component 110 in the area where the fiber material 12 is introduced into the non-return component 110 is the fiber inlet 111, which will also be explained in detail later.
  • the impregnating component 120 contains an ultrasonic sonotrode 122 in order to apply sound energy to the plastic material 12 located in the impregnating cavity 123 .
  • the aim of this is to improve the impregnation result.
  • the impregnation cavity 123 contains positioning elements 124 so that the fiber material is guided along the ultrasound sonode 122 at an exactly predetermined position in relation to it.
  • the ultrasonic sonotrode 122 can have a passage through which the fiber material is guided.
  • the entire impregnation device 100 has a modular structure, so that the individual components can be assembled as required. If, for example, an impregnation component 120 is required in which no ultrasonic sonotrode 122 is present, the impregnation component 120 can simply be replaced by another component, provided the mechanical interfaces correspond to one another.
  • FIG. 2 shows in detail the non-return component 200 denoted by 110 in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows an isometric view of this.
  • a fiber inlet 210 which can be detachably arranged as a separate component on the non-return component 200 .
  • the separate component of the fiber inlet 210 has two individual elements 220 that can be arranged on the backflow blocking component 200 by a centering closure device 230 .
  • the individual elements 220 can be seen in a closed state on the non-return component 200, while in FIG. 3 the individual elements 220 can be seen in an open state.
  • the closure device 230 also includes a bracing element 231 in the form of a union nut, with which, in conjunction with a centering device 233 of the closure device 230, the individual elements 220 of the fiber inlet 210 can be positively and/or non-positively connected to the non-return component 200 in a centered manner. This can be done, for example, using a fine thread that is arranged on a collar of the non-return component 200 .
  • a conical inner shape of the bracing element 231 which interacts with a chronic outer shape of the individual elements 220 , allows the fiber introduction to be arranged firmly on the backflow blocking component 200 . At the same time, the flab shells are braced against each other.
  • the angled face creates a downward force (fastening the individual elements to the component) and an inward force (radial to press the individual elements together) by tightening the nut.
  • Centering is understood here to mean that the channel outlet of the fiber inlet guide 210 lies above the area of the channel inlet of the non-return component 200 .
  • the individual elements 220 have projections and depressions (in the manner of a tongue and groove connection) which engage in one another and fix the individual elements against one another.
  • a corresponding fit is provided on the non-return component 200, into which the individual elements 220 engage and thus arrange the fiber introduction 210 centered on the component.
  • the bracing element 231 fixes the individual elements 220 both to one another and to the component.
  • a felting device 270 can be provided at the fiber inlet 210 in order to be able to appropriately temper the introduced fiber material 10 .
  • the fiber feed channel begins at the upper end of the fiber inlet 210 and ends at a common outlet channel 260, which then leads into the impregnation cavity of the impregnation component.
  • the fiber feed channel has a first channel section 241, which is formed by the section of the fiber feed channel formed by the fiber inlet 210. This is followed by a second channel section 242 which is located in the non-return component and is separate from the plastic supply channel 250 . Finally, there is a third channel section 243 within which the fiber material 10 and the plastic material 12 are guided together and which opens into the common outlet channel 260 .
  • the plastic feed channel 250 has a main section 252 and a section 253 Mauab. Both the main section 252 and the secondary section 253 lead to the common outlet channel 260, so that in the third channel section 243 of the fiber feed channel 240 the plastic material is guided together with the fiber material in a common channel.
  • the inner surfaces of at least part of the fiber feed duct 240 should have a very low surface roughness and high wear resistance since the fibrous material 10 comes into contact with the inner surfaces of the fiber feed duct 240 . This applies in particular to the first and second channel section 241 and 242, with the first channel section 241 in particular having a significantly smaller cross section than the second channel section 242.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment in which the fiber introduction 210 consists of a total of 3 individual elements 220. Each individual element forms an axi alen part of the inner surface of the first channel section 241 of the fiber feed channel 240, wherein the complete first Kanalab section 241 of the fiber feed channel 240 is then formed in the assembled state.
  • the first channel section 241 then has a rectangular cross-sectional shape.
  • the first channel section 241 is straight and, in particular, has no bends or ripples.
  • a fiber inlet 210 is shown which, in the assembled state, shows a wavy first channel section 241 of the fiber feed channel.
  • FIG. 6 shows the fiber introduction 210, which is slotted in a region 211, in an enlarged representation.
  • Each partial area of the fiber introduction can be provided with a separate temperature control element 270 in order to form different temperature control zones in the fiber introduction area.
  • the temperature of one zone can be deliberately set below the temperature of the liquid plastic in order to increase the viscosity of the liquid plastic and thereby prevent the liquid plastic from rising and escaping.
  • FIG. 7 shows a detailed illustration of the spread-apart component 130 that is placed on it and is intended to spread the fiber material 10 open before it is introduced into the impregnation device 100 or into the fiber inlet 200 .
  • the fiber material 10 is about a roller system 131 is steered so that the fiber material constantly changes its direction.
  • An electrode in the form of a roller electrode 132 can be arranged on one of the rollers, which interacts with a counter-electrode 133 in such a way that a current flow is effected in the electrically conductive fiber material between the roller electrode 132 in the counter-electrode 133 .
  • This flow of current leads to heating of the fiber material and thus to temperature control.
  • a sensor 134 can be provided to continuously measure the temperature of the fiber material.
  • Figure 8 shows the channel routing of the fiber feed channel and the plastic feed channel of the backflow blocking component 200. It can be seen that the course of the fiber feed channel in the fiber feed channel 240 is S-shaped, with a first curve 240a and a second curve 240b the S-shaped course of the fiber feed channel form 240. Between the first curve 240a and the second curve 240b, the secondary section 253 of the plastic feed channel opens into the fiber feed channel 240.
  • the first curve 240a is selected such that the fiber material 10 rests against a first inner side of the fiber feed channel 240, on which the secondary section also rests 253 of the plastic feed channel into the fiber feed channel 240 mün det.
  • the fibrous material is then guided from the first inner side at the first curve 240a to the opposite second inner side of the second curve 240b.
  • the fiber material thus forms a non-return valve between the first curve and the second curve, since the plastic material would have to be pressed against the conveying direction between the fiber material and the first inner side along the first curve.
  • an electrode 271 of the furling device 270 (not shown in this figure) is provided in FIG.
  • the fiber material is heated in the area of the fiber material through which current flows.
  • FIG. 9 shows the operating principle of the non-return valve, which is caused by the fiber material, in a schematically simplified representation.
  • the fiber material is pressed against the first inside 244a of the first curvature 240a.
  • the pressing force results from the tensile force to promote the fiber material.
  • the fiber material is pressed against the second inside 244b of the second curvature 240b. Since the plastic material now flows into the fiber feed channel 240 between the first curve 240a and the second curve 240b on the first inner side 244a, the path of the plastic material against the conveying direction remains blocked due to the fiber material 10.
  • the plastic material would have to overcome the force acting on the plastic material due to the conveying of the fiber material and the pressing force of the fiber material at the first bend 240a in order to rise in the fiber feed channel. Although the fibrous material is wetted with the plastic material, sufficient at least partially continuous conveying of the fibrous material prevents full penetration until the non-return valve emerges or is overcome.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Imprägniervorrichtung zum Imprägnieren mindestens eines quasiendlosen Fasermaterials mit einem Kunststoffmaterial, das bei einer entsprechenden Prozesstemperatur aufgeschmolzen ist, aufweisend mindestens einen Faserzuführkanal mit einer Fasereinführung, um das quasiendlose Fasermaterial der Imprägniervorrichtung zuzuführen, und mindestens einen Kunststoffzuführkanal mit einer zu der Fasereinführung getrennt vorliegenden Kunststoffeinführung, um das Kunststoffmaterial getrennt zu dem Fasermaterial der Imprägniervorrichtung zuzuführen, wobei der mindestens eine Faserzuführkanal und der mindestens eine Kunststoffzuführkanal zumindest abschnittsweise getrennt vorliegen und in einer gemeinsamen Imprägnierkavität münden, um das quasiendlose Fasermaterial mit dem zugeführten und aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial zu imprägnieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniervorrichtung einen Rückflusssperrbereich hat, bei dem der Faserzuführkanal zumindest abschnittsweise einen S-förmigen Verlauf aufweist, der durch zwei Krümmungen mit gegenteiligen Krümmungsrichtungen gebildet wird, zwischen denen der Faserzuführkanal mit dem mindestens einen Kunststoffzuführkanal zusammengeführt wird, so dass anschließend ein gemeinsamer Kanalabschnitt gebildet wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Imprägnieren mindestens eines Fasermaterials
Die Erfindung betrifft eine Imprägniervorrichtung zum Imprägnieren mindestens eines quasiendlosen Fasermaterials mit einem Kunststoffmaterial. Die Erfindung betrifft ein Verfahren hierzu.
Aufgrund der besonderen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faser verbundwerkstoffe als moderne Werkstoffe kaum mehr wegzudenken. Aber auch die Kombination von Fasermaterial und Kunststoffmaterial beim 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten bei der Fierstellung komplexer Strukturen, ohne hierbei auf isotrope Werkstoffe zurückgreifen zu müssen. Sowohl bei der Fierstellung von Faserverbund bauteile aus Faserverbundwerkstoffen sowie im 3D-Druck mit Faserverstärkung wer den sehr häufig Faserrovings verwendet, die eine Art Faserbündel darstellen und aus einer Vielzahl von Endlosfasern, auch Filamente genannt, gebildet sind. Neben den additiven Fertigungsverfahren (bpsw. 3D-Druck) zur Fierstellung faserverstärkter Bauteile existieren derzeit eine Reihe weiterer verschiedener Fertigungsmethoden zur Fierstellung von Faserverbundbauteilen. Flierzu zählen unter anderem Tapele gen, Thermoformen, Wickeln, Pultrusion, Autoklav- und Infusionsprozesse oder Overmoulding.
Insbesondere bei kontinuierlich bzw. zeitweise kontinuierlich verlaufenden Prozes sen, wie beispielsweise der Extrusion von endlosfaserverstärkten Halbzeugen oder dem 3D-Druck (FFF, DED) von endlosfaserverstärkten Strukturen, stellt die qualitativ hochwertige und kontinuierliche Einbringung der Rovings in den Kunststoff eine große Herausforderung dar. Die Faserbündel (beispielsweise Kohlefasern oder Glas fasern) bestehen häufig aus mehreren 1000 bis 10.000 Einzelfasern mit einem Durchmesser zwischen 3 pm bis 8 pm und müssen mit dem flüssigen Kunststoff im prägniert (vollständig durchdrungen bzw. jede Einzelfaser ummantelt) und anschlie ßend konsolidiert (geometrische Endkontur möglichst ohne Fremd- und Luftein schlüsse durch Erstarren des Kunststoffes) werden.
Aus Hauke Prüß, Thomas Vietor: „Neue Gestaltungsfreiheiten durch 3D-gedruckte Faser-Kunststoff-Verbunde“, Forum für Rapid Technologie, Ausgabe 12/2015, ist ein 3D-Druckkopf bekannt, dem ein quasiendloses Fasermaterial zentral zugeführt wird. Des Weiteren wird dem 3D-Druckkopf mithilfe zweier Zuführkanäle ein Kunststoffma terial zugeführt, wobei Fasermaterial und Kunststoffmaterial in einer gemeinsamen Mischkammer münden. Das hindurchgeführte Fasermaterial wird hier mit dem Kunst stoffmaterial benetzt, wobei die so gebildete Materialmischung ausgegeben wird. Hierdurch lassen sich nahezu beliebige Strukturen mit integriertem Lastfaden entwi ckeln.
Ergänzend hierzu ist aus der DE 102017 124 352 A1 eine Anlage zum Herstellen von 3-dimensionalen Strukturen mit einem 3D-Druckkopf bekannt, bei dem 3 oder mehr Zuführkanäle vorgesehen sind, die um eine axialen Verlauf des zu für Kanals für das Fasermaterial herum angeordnet sind, wodurch sich insbesondere der 3D- Druch eines Faser-Kunststoff-Gemisches mit verschiedenen Kunststoffmaterialien re alisieren lässt.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2019 106 355.8 ist des Weiteren eine Impräg niervorrichtung zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Halbzeugen mit Kunst stoffimprägnierung bekannt, bei der das quasiendlose Fasermaterial und das Kunst stoffmaterial der Imprägniervorrichtung getrennt zugeführt werden. In einer Misch kammer wird nun das quasiendlose Fasermaterial durch das unter Druck stehende Kunststoffmaterial gezogen, wobei für eine verbesserte Imprägnierung Schallenergie mittels einer Sonotrode in das Kunststoffmaterial der Mischkammer eingebracht wird.
Der Nachteil dieser bekannten 3D-Druckköpfe bzw. Imprägniervorrichtungen liegt in der Tatsache, dass durch die Zuführung des insbesondere thermoplastischen Kunst stoffes in die Mischkammer ein Druck innerhalb der Mischkammer erzeugt wird, der auch dazu führt, dass der aufgeschmolzene Kunststoff in den Zuführkanal des Faser materials gedrückt wird und dort aufsteigt und sich somit entgegen der Förderrich tung des quasiendlosen Fasermaterials bewegt. Dies kann im schlechtesten Fall dazu führen, dass der Kunststoff an der Eintrittsstelle, an der das Fasermaterial in die Imprägniervorrichtung in den dafür vorgesehenen Zuführkanal eingeführt wird, austritt und somit eine ungewollte Leckage entsteht. Es besteht aber auch die Ge fahr, dass durch das Aufsteigen des aufgeschmolzenen Kunststoffes innerhalb des Zuführkanals dieses abkühlt und dann innerhalb des Faserzuführkanals erstarrt, was schließlich zu einer Förderunterbrechung des Fasermaterials führt und somit zum Abbruch des Prozesses.
Aus der DE 102017 124 353 A1 ist ähnlich wie bei der DE 10 2017 124 352 A1 eine Anlage zum Herstellen von 3-dimensionalen Strukturen mit einem 3D-Druckkopf be kannt, wobei hier ergänzend vorgesehen ist, das am Eingang der Materialzuführung für das Fasermaterial eine Überdruckquelle angeschlossen ist, um so am Eingang der Materialzuführung für das Fasermaterial einem Überdruck anzulegen. Dieser Überdruck soll verhindern, dass Kunststoffmaterial in den Faserzuführkanal aufsteigt und somit die oben geschilderten Probleme verursacht. Nachteilig hierbei ist die hohe Anlagenkomplexität und Einschränkung der Beweglichkeit des 3D Druckkopfes insbesondere bei einer hohen Ablegegeschwindigkeit. Denn das Fasermaterial muss samt seinem Fasermagazin in einem geschlossenen Druckbehälter untergebracht werden, um so ein insgesamt geschlossenes System zu erhalten. Außerdem wird durch die Verwendung von Druckluft die Gefahr begünstigt, dass sich in dem Matrix material Lufteinschlüsse bilden, die dann zu Fehlstellen innerhalb des Bauteils füh ren.
Aus der EP 0 712 716 A1 ist des Weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Imprägnieren von Endlosfasern oder Faserbündel mit einem aufgeschmolzenen ther moplastischen Kunststoff bekannt, wobei die Fasern oder Rovings eine Imprägnier zone durchlaufen, die die Form einer gedämpften Schwingung aufweist. Hierdurch soll die Aufspreizung der Rovings und somit das Imprägnierergebnis verbessert wer den. Des Weiteren ist ein geteiltes Werkzeug vorgesehen, um das Einsetzen der Ro vings und das Reinigen des Werkzeugs zu verbessern. Allerdings kann auch bei die ser Vorrichtung nicht verhindert werden, dass das in das Werkzeug zugeführte Kunststoffmaterial am Eingang der Fasermaterialzuführung aufgrund des Zuführdru ckes heraustritt.
Vor allem bei der Imprägnierung von Rovings (Faserbündel) mit hochviskosen Kunst stoffen, wie z.B. Thermoplasten, sind erhöhte Schmelzedrücke für eine effiziente Im prägnierung sowie für die Prozessführung erforderlich. Insbesondere bei der kontinu ierlichen Einführung von Faserbündeln in einem flüssigen Kunststoff, der unter Druck steht, stellt es eine besondere Herausforderung dar, dass möglichst kein flüssiger Kunststoff in den Faserzuführkanal aufsteigt und diesen später blockiert. Unter einem hochviskosen Kunststoffmaterial wird hierbei insbesondere ein Kunststoffmaterial verstanden, welches bei einer vorgegebenen Prozesstemperatur eine Viskosität von im Wesentlichen mehr als 8000 mPas (milli-Pascalsekunden) hat. Hiervon zu unter scheiden sind niedrigviskose Kunststoffmaterialien, die eine Viskosität bis 300 mPas haben. Zwischen 300 mPas und 8000 mPas spricht man von einer mittleren Viskosi tät. Thermoplastische Kunststoffe, wie sie häufig im hybriden 3D-Druck anzutreffen sind, weisen oftmals eine Viskosität von 300 Pas bis 10.000 Pas. Je nachdem wie stark das Kunststoffmaterial beim in Kontakt bringen mit der Faser geschert wird, kann die Viskosität auch deutlich unterhalb der üblichen Nullviskosität (3000 - 10.000 Pas) liegen. Unter der vorgegebenen Prozesstemperatur wird dabei diejenige Temperatur des Kunststoffmaterials verstanden, bei der das Kunststoffmaterial zur Imprägnierung verwendet wird. Bei thermoplastischen Kunststoffen ist dies insbeson dere diejenige Temperatur, bei der das Kunststoffmaterial aufgeschmolzenen ist und so das Faserbündel entsprechend imprägnieren kann.
Eine weitere Herausforderung bei der kontinuierlichen Imprägnierung von Rovings mittels einer automatisierten Imprägniervorrichtung stellt das Einsetzen des Faser bündels ganz am Anfang des Prozesses dar. Der für das Fasermaterial vorgesehene Zuführkanal muss dabei die Möglichkeit besitzen, das Fasermaterial an der Ein gangsstelle in die Imprägniervorrichtung einzufädeln.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung anzu geben, mit der kontinuierlich ein Fasermaterial (insbesondere Rovings) mit einem Kunststoffmaterial imprägniert werden können. Es ist ebenso Aufgabe der vorliegen den Erfindung ein verbessertes Verfahren hierzu anzugeben. Die Aufgabe wird mit der eingangs genannten Imprägniervorrichtung mit den Merk malen des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun gen der Imprägniervorrichtung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Imprägniervorrichtung zum Imprägnieren mindestens eines quasiendlosen Fasermaterials beansprucht, wobei das quasiendlose Faserma terial mit einem Kunststoffmaterial, das bei einer entsprechenden Prozesstemperatur aufgeschmolzen ist, imprägniert werden.
Bei dem Fasermaterial kann es sich insbesondere um Rovings bzw. Faserbündel handeln, die aus einer Vielzahl von einzelnen quasiendlosen Fasern bzw. Filamente bestehen. Das Fasermaterial kann dabei beispielsweise aus Kohlenstofffasern oder Glasfasern gebildet sein. Es sind aber sicherlich auch andere Fasermaterialien denk bar. Bei dem Fasermaterial kann es sich insbesondere um jenes Fasermaterial han deln, dass Bestandteil eines Faserverbundwerkstoffes zur Fierstellung eines Faser verbundbauteils ist. Es kann sich dabei insbesondere um Fasermaterialien handeln, die in additiven oder generativen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise einem 3D- Druck mittels einer 3D-Druckanlage, verwendet werden.
Bei dem Kunststoffmaterial kann es sich um ein thermoplastisches oder duroplasti sches Kunststoffmaterial handeln. Das Kunststoffmaterial kann dabei insbesondere ein hochviskoses Kunststoffmaterial sein. Es kann sich insbesondere um ein Kunst stoffmaterial handeln, dass Bestandteil eines Faserverbundwerkstoffes zur Fierstel lung eines Faserverbundbauteils ist. Derartige Kunststoffmaterialien werden auch als Matrixmaterialien bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Imprägniervorrichtung weist gattungsgemäß mindestens ei nen Faserzuführkanal mit einer Fasereinführung auf, um das quasiendlose Faserma terial der Imprägniervorrichtung zuzuführen. Des Weiteren weist die Imprägniervor richtung gattungsgemäß mindestens einen Kunststoffzuführkanal mit einer zu der Fa sereinführung getrennt vorliegenden Kunststoffeinführung auf, um so das benötigte Kunststoffmaterial, mit dem das Fasermaterial durch die Imprägniervorrichtung im- prägniert werden soll, getrennt zu dem Fasermaterial der Imprägniervorrichtung zu zuführen. Die Kunststoffeinführung des Kunststoffzuführkanals kann dabei eine Ver schlussvorrichtung aufweisen, um die Imprägniervorrichtung mit einem Vorratsbehäl ter für das Kunststoffmaterial zu verbinden. Mittels der Verschlussvorrichtung kann so ein insbesondere flexibler Bereitstellungsschlauch an die Imprägniervorrichtung angeschlossen werden, der an dem gegenüberliegenden Ende mit dem Vorratsbe hälter und gegebenenfalls mit einer Druckquelle zum Erzeugen eines Transportdru ckes ausgebildet ist.
Der mindestens einen Faserzuführkanal und der mindestens eine Kunststoffzuführ- kanal liegen dabei in der Imprägniervorrichtung zumindest abschnittsweise getrennt vor. Sowohl der Faserzuführkanal als auch der Kunststoffzuführkanal münden dann in einer gemeinsamen Imprägnierkavität, um das quasiendlose Fasermaterial mit dem zugeführten und aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial zu imprägnieren. In der Imprägnierkavität erfolgt dabei die Imprägnierung hauptsächlich und vorzugsweise vollständig.
Dies schließt jedoch nicht aus, dass vor der Imprägnierkavität der Faserzuführkanal und der Kunststoffzuführkanal in einem gemeinsamen Kanalabschnitt geführt wer den, der dann in die Imprägnierkavität mündet. In diesem Fall weist sowohl der Fa serzuführkanal als auch der Kunststoffzuführkanal einen ersten Abschnitt auf, bei dem beide Zuführkanäle getrennt vorliegen und wenigstens einen zweiten Abschnitt auf, bei denen das Fasermaterial und das Kunststoffmaterial in einem gemeinsamen Kanalabschnitt geführt werden. In dem zweiten Abschnitt wird somit der Faserzuführ kanal und der Kunststoffzuführkanal durch einen gemeinsamen Kanal gebildet.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Imprägniervorrichtung einen Rück flusssperrbereich hat, bei dem der Faserzuführkanal zumindest abschnittsweise ei nen S-förmigen Verlauf aufweist, der durch zwei Krümmungen mit gegenteiligen Krümmungsrichtungen gebildet wird, zwischen denen der Faserzuführkanal mit dem mindestens einen Kunststoffzuführkanal zusammengeführt wird, so dass anschlie ßend ein gemeinsamer Kanalabschnitt gebildet wird. Dieser Rückflusssperrbereich (abschnittsweise S-förmige Verlauf des Faserzuführka- nals) befindet sich dabei bevorzugt in dem übrigen Teil der Imprägniervorrichtung und nicht in der Fasereinführung oder im Bereich der Imprägnierkavität. Durch den S-förmigen Verlauf liegt das Fasermaterial im jeweiligen Krümmungsradius des S-för migen Verlaufes an, wobei aufgrund des S-förmigen Verlaufes die Krümmungsrich tung wechselt und somit das Fasermaterial beim Transport durch den Faserzuführka- nal (Förderrichtung, Extrusionsrichtung) einmal an einer ersten Innenseite und ein mal an einer gegenüberliegenden zweiten Innenseite anliegt.
Flierdurch bildet das Fasermaterial selber bereits eine Rückflusssperre, da das Fa sermaterial aufgrund des Seitenwechsels immer an einer Innenseite anliegt und so mit eine natürliche Rückflusssperre für das Kunststoffmaterial bildet. Es hat sich ge zeigt, dass aufgrund der kontinuierlichen Bewegung des Fasermaterials, die beim Aufsteigen des Kunststoffmaterials auf dieses in Förderrichtung einwirkt, der Schmel zedruck entgegen der Förderrichtung soweit herabgesetzt wird, dass das Kunststoff material nicht zwischen der Innenseite des Faserzuführkanals, an dem das Faserma terial anliegt, und dem Fasermaterial selber gedrückt werden kann. Denn für das kontinuierliche Fördern des Fasermaterials wird eine Zugspannung auf das Faserma terial aufgebracht, die bewirkt, dass das Fasermaterial durch den Zuführkanal gezo gen und an die Innenseite des Faserzuführkanals in dem S-förmigen Verlauf mit ei ner Kraft angedrückt wird, die größer ist, als die durch das heraufsteigende Kunst stoffmaterial bewirkte Gegenkraft.
Es wurde demnach überaschenderweise festgestellt, dass eine so durch einen S-för migen Verlauf gebildete natürliche Rückflusssperre das Aufsteigen des zugeführten Kunststoffmaterials in den Faserzuführkanal wirksam verhindern kann. Durch die kontinuierliche Förderung des Fasermaterials und der damit einhergehenden Zug spannung auf dem Fasermaterial kann das unter Druck stehende Kunststoffmaterial nicht in den oberhalb (in Förderrichtung gesehen) der ersten Krümmung liegenden Abschnitt des Faserzuführkanals gelangen.
Durch das kontinuierliche Fördern des Fasermaterials wird darüber hinaus auch ver hindert, dass das Kunststoffmaterial an der Stelle, wo der Kunststoffzuführkanal auf den Faserzuführkanal trifft, in das dort vorbeigeförderte Fasermaterial eindringt und durchdringt, wodurch das Kunststoffmaterial die Rückflusssperre durchbrechen würde. Durch das kontinuierliche Fördern des Fasermaterials wird jedoch eine voll ständige Durchtränkung an dieser Stelle verhindert und somit sichergestellt, dass das Kunststoffmaterial die Rückflusssperre nicht überwinden kann. Jedoch kann das Wissen hierüber gezielt genutzt werden, um eine teilweise Vorimprägnierung des Fa sermaterials sicherzustellen, ohne dass dieser vollständig durchdrungen wird. Hier durch kann das Imprägnierergebnis verbessert werden.
Eine solche Imprägniervorrichtung kann dabei Teil einer Anlage zum Drucken von quasiendlosen, mit Kunststoff imprägnierten Fasermaterialien sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Krümmungen des Faserzu- führkanals derart ausgebildet sind, dass das Fasermaterial bei der ersten Krümmung an einer ersten Innenseite des Faserzuführkanals und an der zweiten Krümmung an einer der ersten Innenseite gegenüberliegenden zweiten Innenseite des Faserzuführ kanals kontaktbehaftet entlanggeführt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Kunststoff- zuführkanal zwischen der ersten und zweiten Krümmung in den Faserzuführkanal an der ersten Innenseite des Faserzuführkanals einmündet.
Der Kunststoffzuführkanal mündet dabei an der Innenseite in den Faserzuführkanal, an der das Fasermaterial an der oberhalb (in Bezug auf die Förderrichtung) der Ein mündung befindlichen ersten Krümmung anliegt. Damit wird ausgehend von der Ein mündung in den Faserzuführkanal entgegen der Förderrichtung der Faserzuführka nal durch das Fasermaterial versperrt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Imprägniervorrichtung min destens eine Fleizeinrichtung hat, die zum Temperieren des Fasermaterials und/oder des Kunststoffmaterials ausgebildet ist.
Durch das Temperieren des Kunststoffmaterials bleibt dieses auf Prozesstemperatur, um den Imprägnierprozess zu forcieren. Durch das Temperieren des Fasermaterials wird erreicht, dass die Prozesstemperatur auch bei in Kontakt treten des Kunststoff materials mit dem Fasermaterial konstant bleibt bzw. im Wesentlichen konstant bleibt und sich keine negativen Eigenschaften durch ein Abkühlen des Kunststoffmaterials an dem Fasermaterial ausbilden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die die Fleizeinrichtung eine in dem Faserzuführkanal angeordnete Elektrode an einer Position aufweist, an der das Fasermaterial kontaktbehaftet an der Elektrode entlanggeführt wird, wobei die Fleiz einrichtung zum Erzeugen eines Stromflusses in einem elektrisch leitfähigen Faser material mittels der Elektrode eingerichtet ist.
Eine solche Elektrode kann dabei vorzugsweise in einer Krümmung, genauer an der Innenseite der Krümmung, in dem Faserzuführkanal angeordnet sein. Der vollstän digkeitshalber sei erwähnt, dass die Fleizeinrichtung noch eine Gegenelektrode auf weist, die ebenfalls in der Imprägniervorrichtung vorgesehen sein kann oder aber au ßerhalb der Imprägniervorrichtung angeordnet ist (beispielsweise Fasermagazin oder an der Austrittsstelle der Imprägniervorrichtung). Zwischen der Elektrode und der Ge genelektrode wird dabei ein Stromfluss in dem elektrisch leitfähigen Fasermaterial bewirkt, wodurch sich das Fasermaterial in Art einer Widerstandsheizung erwärmt. Das Bewirken des Stromflusses erfolgt dabei durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an der Elektrode und/oder Gegenelektroden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Breite des Faserzuführka- nals im Wesentlichen der Breite des Fasermaterials entspricht. Flierdurch kann der Faserzuführkanal im Bereich der Einmündung des Kunststoffzuführkanals noch bes ser durch das Fasermaterial gesperrt werden, um ein Aufsteigen des Kunststoffmate rials zu verhindern.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fasereinführung ein von der übrigen Imprägniervorrichtung getrenntes Bauteil ist, das zum lösbaren Anordnen an der Imprägniervorrichtung ausgebildet ist und das mindestens zwei von einem geöff neten Zustand in einen geschlossenen Zustand bringbare Einzelelemente aufweist, die im geschlossenen Zustand zumindest einen Abschnitt des Faserzuführkanals ausbilden. Demgemäß handelt es sich bei der Fasereinführung um ein separates Bauteil, das lösbar an der Imprägniervorrichtung angeordnet werden kann. Das Bauteil kann demnach von einem nicht-montierten Zustand in einen montierten Zustand und wie der zurück gebracht werden. Das separate Bauteil lässt sich somit lösbar an der Im prägniervorrichtung montieren und wieder entfernen. Der geöffnete Zustand meint hierbei einen nicht-zusammengesetzten bzw. nicht-montierten Zustand, während der geschlossene Zustand einen zusammengesetzten bzw. montierten Zustand meint.
Die Fasereinführung in Form eines von der übrigen Imprägniervorrichtung getrennten Bauteils weist dabei mindestens zwei Einzelelemente auf, die von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand bringbar sind. Im geschlossenen Zustand lässt sich das Bauteil dann an der Imprägniervorrichtung montieren. Im geöffneten Zustand ist ein Zugriff auf das Innere des durch die Fasereinführung gebildeten Ab schnittes des Faserzuführkanals möglich. Die Einzelelemente können dabei als se parate Elemente vorliegen, die physisch erst bei Montage der Fasereinführung an der Imprägniervorrichtung zusammengesetzt und in den geschlossenen Zustand ge bracht werden. Denkbar ist aber auch, dass die Einzelelemente durch eine Schar niervorrichtung oder Schwenkvorrichtung miteinander verbunden sind, die so ausge bildet ist, dass die Einzelelemente von einem geöffneten Zustand in einen geschlos senen Zustand und zurück verbracht werden können.
Flierdurch wird es zusätzlich möglich, die Fasereinführung beim Einfädeln des Faser materials in die Imprägniervorrichtung am Anfang des Prozesses zu vereinfachen und gleichzeitig prozesssicher ein Aufsteigen und Austreten des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials aus der Fasereinführung zu verhindern. Durch das getrennt vor liegende Bauteil, das aus mehreren einzelnen Elementen besteht, kann nun die Fa sereinführung von der Imprägniervorrichtung demontiert, das Fasermaterial in die Im prägniervorrichtung eingesetzt und anschließend das eingesetzte Fasermaterial am Anfang durch die Fasereinführung umschlossen werden, wenn die Fasereinführung zusammengesetzt und an der Imprägniervorrichtung montiert wird.
Besonders vorteilhaft ist dies insbesondere dann, wenn der durch die Fasereinfüh rung im geschlossenen Zustand gebildete Abschnitt des Faserzuführkanals eine Querschnittsform aufweist, die im Wesentlichen der Querschnittsform des zuzufüh renden Fasermaterials entspricht. Dabei weist dieser Abschnitt des Faserzuführka- nals insbesondere eine Querschnittsfläche auf, die nur unwesentlich größer ist als die durch das Fasermaterial gebildete Querschnittsfläche. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Querschnittsfläche des Faserzuführkanalabschnittes der Fasereinführung quer zur Förderrichtung des Fasermaterials maximal dem 30 fachen (vorzugsweise maximal dem 20 fachen und besonders vorzugsweise maximal dem 10 fachen) der theoretischen Querschnittsfläche des Faserbündels bzw. des Faser materials entspricht. Bei der theoretischen Querschnittsfläche eines Faserbündels handelt es sich um die Summe der Querschnittsfläche der Einzelfasern, die sich aus der Anzahl der Einzelfasern und der Querschnittsfläche einer einzelnen Faserlage bzw. eines einzelnen Filamente ergibt.
Durch die stark verkleinerte Querschnittsfläche quer zur Förderrichtung wird ein auf steigen des in die Imprägniervorrichtung unter Druck zugeführten Kunststoffmaterials sicher verhindert, wobei aufgrund des modularen Aufbaus der Fasereinführung ein Einfädeln eines Rovings problemlos möglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Trennebene der Einzelele mente der Fasereinführung in der Achse des durch die Fasereinführung gebildeten Abschnittes des Faserzuführkanals liegt. Im geöffneten Zustand der Fasereinführung ist somit bei jedem einzelnen Element ein Teil der Innenseite des Abschnittes des Faserzuführkanals, der durch die Fasereinführung gebildet wird, vorhanden. Durch zusammensetzen der Einzelelemente in den geschlossenen Zustand wird dann der Abschnitt des Faserzuführkanals durch die Fasereinführung gebildet. Dies erleichtert insbesondere das Bestücken der Imprägniervorrichtung mit dem Fasermaterial sowie das Reinigen relevanter Bauteile.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Verschlusseinrichtung vor gesehen ist, die zum form- und/oder kraftschlüssigen Anordnen der Einzelelemente der Fasereinführung an der Imprägniervorrichtung ausgebildet ist. Eine solche Ver schlusseinrichtung kann dabei eine Zentriereinrichtung aufweisen (beispielsweise mittels Rastelementen und/oder Nut-Feder-Elementen), in welche die Einzelele mente eingesetzt werden, wobei mittels einer Überwurfmutter die Einzelelemente an der Imprägniervorrichtung fixiert werden können. Denkbar sind auch Klemmvorrich tungen, bei denen die Einzelelemente zusammengepresst werden. Die Verschluss einrichtung hat dabei den weiteren Vorteil, dass der durch die Fasereinführung gebil dete Abschnitt des Faserzuführkanals gegenüber dem sich daran anschließenden Abschnitt des Faserzuführkanals in der übrigen Imprägniervorrichtung an der mecha nischen Schnittstelle zentriert wird, sodass das Fasermaterial problemlos von dem ersten Abschnitt des Faserzuführkanals (in der Fasereinführung) in den zweiten Ab schnitt des Faserzuführkanals (in der übrigen Imprägniervorrichtung, der Flauptbau- gruppe) kontinuierlich gefördert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Querschnittsfläche des durch die Fasereinführung gebildeten Abschnittes als erster Abschnitt des Faserzu führkanals kleiner ist als ein sich unmittelbar an die Fasereinführung anschließender zweiter Abschnitt des Faserzuführkanals in der übrigen Imprägniervorrichtung. Die Fasereinführung hat somit einen engeren Abschnitt eines Faserzuführkanals, als die übrige Imprägniervorrichtung, wodurch das Einfädeln des Fasermaterials in die Im prägniervorrichtung besonders einfach möglich ist, während ein Aufsteigen eines Kunststoffmaterials in den Faserzuführkanal der Fasereinführung prozesssicher ver hindert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der durch die Fasereinführung gebildete Abschnitt im Wesentlichen gradlinig, wellenförmig oder doppel-S-förmig verläuft oder dass der durch die Fasereinführung gebildete erste Abschnitt mindes tens eine Krümmung aufweist. Die Querschnittsform (Quer zur Faserführung) ist vor zugsweise rechteckig (vorteilhaft, wenn das Fasermaterial (Roving) bereits aufge spreizt zugeführt wird) oder rund bzw. oval (vorteilhaft, wenn das Fasermaterial zur- vor nicht aufgespreizt wurde). Denkbar sind aber auch andere Querschnittsformen, wie bspw. mehrfach gekrümmt.
Bei einem gradlinigen Verlauf des durch die Fasereinführung gebildeten Abschnittes des Faserzuführkanals wird das Fasermaterial besonders schonend durch die Fa sereinführung geführt, da die Reibung des Fasermaterials an der Innenwandung des Faserzuführkanals minimiert wird. Bei einem wellenförmigen Verlauf wird hingegen die Reibung des Fasermaterials an der Innenwandung des Faserzuführkanals vergrößert, allerdings kann durch die wechselnden Richtungen der Faserführung sowohl ein Aufspreizen des Fasermateri als begünstigt werden, was die Imprägnierung des Fasermaterials mit dem Kunst stoffmaterial verbessert, als auch ein Aufsteigen des Kunststoffmaterials in den Ab schnitt des durch die Fasereinführung gebildeten Faserzuführkanals noch besser un terbunden werden. Insbesondere bei einem doppel-S-förmigen Verlauf kann erreicht werden, dass das Fasermaterial selber immer eine Sperre für das weitere Aufsteigen des flüssigen Kunststoffmaterials bildet. Denn durch den Richtungswechsel der Krümmungen bei einem doppel-S-förmigen Verlauf liegt das Fasermaterial zumin dest einmal an der ersten Innenseite und zumindest einmal an der gegenüberliegen den zweiten Innenseite an, sodass das Kunststoffmaterial durch das Fasermaterial selber an einem weiteren Aufsteigen gehindert wird.
In Verbindung mit einem wellenförmigen oder doppel-S-förmigen Verlauf des Faser zuführkanals in der Fasereinführung und zusätzlich gegebenenfalls noch ein stark verjüngter Querschnitt dieses Abschnittes kann auch bei hohen Schmelzedrücken verhindert werden, dass das Kunststoffmaterial entgegen der Förderrichtung aufstei gen kann und den Imprägnierprozess negativ beeinträchtigt. Dies bietet einen weite ren Schutz auch bei hohen Schmelzedrücken.
Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass der Rückflusssperrbe reich in Förderrichtung des Fasermaterials vor der Imprägnierkavität angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform hierzu ist vorgesehen, dass der Rückflusssperrbe reich in einem Rückflusssperrbauteil vorgesehen ist, welches lösbar mit einem die Imprägnierkavität aufweisenden Imprägnierbauteil befestigt oder befestigbar ist, wo bei an dem Rückflusssperrbauteil die Fasereinführung als getrenntes Bauteil ange ordnet oder anordbar ist. Flierdurch kann die gesamte Imprägniervorrichtung modular aufgebaut werden.
Die Fördergeschwindigkeit des Fasermaterials kann dabei zwischen 0,3 m/min und bis zu 50 m/min (vorzugsweise 3 m/min bis 15 m/min) liegen. Die Fördergeschwin- digkeit des Kunststoffmaterials kann dabei identisch sein oder sich von der Förderge schwindigkeit des Fasermaterials unterscheiden (bis zu 30 %). Die Faserbündel aus Kohlefaser, Glasfaser, Naturfaser, etc. als Roving können 1.000 bis 50.000 Einzelfa sern umfassen. Denkbar ist aber auch, dass mehrere Faserbündel gleichzeitig oder über mehrere Zuführeinheiten nacheinander zugeführt werden. Dabei ist es auch denkbar, dass eine Mehrzahl von Faserbündeln aufgespreizt und als breites Band zugeführt werden. Dabei können die Faserbündel durch die Imprägniervorrichtung vor der Imprägnierkavität aufgespreizt, insbesondere flach auf gespreizt, werden. Flierzu weist die Imprägniervorrichtung entsprechende Aufspreizelemente auf. Vor teilhaft ist, wenn das Faserbündel im Vorfeld oder mittels der Heizeinrichtung der Im prägniervorrichtung auf eine Temperatur zwischen 50° C bis 1000° C (150° C bis 500° C) temperiert wird. Die tatsächliche Prozesstemperatur hängt dabei von dem verwendeten Kunststoff und insbesondere von Theologischen Eigenschaften des flüs sigen Kunststoffes ab. Die Faserbündel können dabei mit einer Kraft von mehr als 5 Newton und unterhalb der kritischen Zugkraft, bei der eine Beschädigung der Fasern eintreten würde, vorgespannt und kontinuierlich durch die Imprägniervorrichtung ge fördert werden. Der Druck des flüssigen Kunststoffes (Schmelzedruck) kann dabei zwischen 5 bar und 1 .000 bar (vorzugsweise zwischen 5 bar und 400 bar) liegen.
Mithilfe der Imprägniervorrichtung wird es möglich, ein Faservolumengehalt des fina len Halbzeuges bzw. des extrudierten Profils / Strang (3D-Druck) nach Austritt aus einer Düse zwischen 30 % bis zu 80 % zu erreichen.
Die Imprägniervorrichtung weist in Förderrichtung nach der Imprägnierkavität einen Austritt bzw. Austrittskanal auf, durch den das imprägniert Fasermaterial ausgegeben wird. Hier kann an die Imprägniervorrichtung eine Düse angeschlossen werden, um das imprägniert Fasermaterial zu extrudieren (Extrusionsimprägnierung).
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Rückflusssperrbauteil für die Verwendung bei einer Imprägniervorrichtung zum Imprägnieren eines quasiend losen Fasermaterials mit einem Kunststoffmaterial, wobei das Rückflusssperrbauteil mindestens einen Faserzuführkanal mit einer Fasereinführung hat, um das quasiend lose Fasermaterial zuzuführen, und mindestens einen Kunststoffzuführkanal mit ei ner zu der Fasereinführung getrennt vorliegenden Kunststoffeinführung hat, um das Kunststoffmaterial getrennt zu dem Fasermaterial zuzuführen, wobei der mindestens eine Faserzuführkanal und der mindestens eine Kunststoffzuführkanal zumindest ab schnittsweise getrennt vorliegen. Die Imprägniervorrichtung hat dabei einen Rück flusssperrbereich, bei dem der Faserzuführkanal zumindest abschnittsweise einen S- förmigen Verlauf aufweist, der durch zwei Krümmungen mit gegenteiligen Krüm mungsrichtungen gebildet wird, zwischen denen der Faserzuführkanal mit dem min destens einen Kunststoffzuführkanal zusammengeführt wird, so dass anschließend ein gemeinsamer Kanalabschnitt gebildet wird.
Die Ausführungen, die bezüglich der Imprägniervorrichtung im Zusammenhang mit den Merkmalen des Rückflusssperrbauteils gemacht wurde, können dabei entspre chend auf diesen Aspekt der Erfindung angewendet werden. Dies betrifft insbeson dere sämtliche Merkmale, die vor der Imprägnierkavität vorgesehen sind. Das erfin dungsgemäße Rückflusssperrbauteil weist dabei insbesondere keine Imprägnierkavi tät im Sinne der vorliegenden Erfindung auf.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen einer Imprägniervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
13,
- Einführen des quasiendlosen Fasermaterials in die bereitgestellte Impräg niervorrichtung, und
- kontinuierliches Zuführen des Kunststoffmaterials und des quasiendlosen
Fasermaterials in die Imprägnierkavität der Imprägniervorrichtung, um das quasiendlose Fasermaterial mit dem Kunststoffmaterial zu impräg nieren,
- wobei in einem in der Imprägniervorrichtung vorgesehenen Rückfluss sperrbereich das Fasermaterial durch einen S-förmigen Verlauf des Fa- serzuführkanals geführt wird, wobei zwischen den beiden Krümmungen des S-förmigen Verlaufes das Kunststoffmaterial durch den dazwischen einmündenden Kunststoffzuführkanal in den gemeinsamen Kanalab schnitt gedrückt wird. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen ohne Einschränkung der Allgemeinheit:
Figur 1 Darstellung einer erfindungsgemäßen Imprägniervorrichtung;
Figur 2 Darstellung eines Rückflusssperrbauteils;
Figur 3 Darstellung des Rückflusssperrbauteils in einer isometrischen Ansicht; Figur 4 Darstellung der Fasereinführung in einer weiteren Ausführungsform;
Figur 5 Darstellung der Fasereinführung in einer weiteren Ausführungsform;
Figur 6 Darstellung der Fasereinführung mit Temperierelementen;
Figur 7 Darstellung einer Faseraufspreizung vor der Fasereinführung;
Figur 8 Darstellung einer weiteren Ausführungsform zum Temperieren;
Figur 9 schematische Darstellung einer Rückflusssperre mittels Fasermaterial.
Figur 1 zeigt in einer vollständigen Ansicht die Imprägniervorrichtung 100 mit einem Rückflusssperrbauteil 110, einem Imprägnierbauteil 120 sowie einem Aufspreizbau teil 130 zum Aufspreizen des einzuführenden Fasermaterials 10.
Das in einem Fasermagazin befindliche Fasermaterial 10 (Faserbündel) wird durch das Aufspreizenbauteil 130 geführt, dass ein Rollensystem 131 hat, das so ausgebil det ist, dass das Faserbündel aufgespreizt wird. Anschließend wird das Fasermate rial 10 in das Rückflusssperrbauteil 110 eingeführt. In dieses Rückflusssperrbauteil 110 wird des Weiteren ein flüssiger Kunststoff 12 zugeführt, der dann mit dem zuge führten Fasermaterial 10 zusammengeführt und in dem Imprägnierbauteil 120 das Fasermaterial 10 vollständig imprägnieren soll. Anschließend wird das mit dem Kunststoff 12 imprägniert Fasermaterial 10 aus einer Düse 121 extrudiert. Das Rück flusssperrbauteil 110 weist, wie später noch detailliert gezeigt wird, mehrere Rück flusssperren 112 auf. Am oberen Ende des Rückflusssperrbauteil 110 im Bereich, wo das Fasermaterial 12 in das Rückflusssperrbauteil 110 eingeführt wird, befindet sich die Fasereinführung 111 , die ebenfalls im Detail später noch erläutert wird.
Das Imprägnierbauteil 120 enthält eine Ultraschallsonotrode 122, um das in der Im prägnierkavität 123 befindliche Kunststoffmaterial 12 mit Schallenergie zu beauf schlagen. Flierdurch soll das Imprägnierergebnis verbessert werden. Vor und hinter der Imprägnierkavität 123 befinden sich Positionierungselemente 124, damit das Fa sermaterial an einer exakt vorgegebenen Position in Bezug auf die Ultraschallsonot rode 122 an dieser entlanggeführt wird. Die Ultraschallsonotrode 122 kann dabei eine Durchführung aufweisen, durch die das Fasermaterial hindurchgeführt wird.
Die gesamte Imprägniervorrichtung 100 ist dabei modular aufgebaut, sodass die ein zelnen Bestandteile bedarfsweise zusammengesetzt werden können. Wird beispiels weise ein Imprägnierbauteil 120 benötigt, bei dem keine Ultraschallsonotrode 122 vorhanden ist, so kann das Imprägnierbauteil 120 einfach durch ein anderes Bauteil ausgetauscht werden, sofern die mechanischen Schnittstellen einander entsprechen.
Figur 2 zeigt im Detail das in Figur 1 mit 110 bezeichnete Rückflusssperrbauteil 200. In Figur 3 ist eine isometrische Ansicht hierzu gezeigt. In dem Bereich, wo das Faser material 10 eingeführt wird, befindet sich eine Fasereinführung 210, die als separates Bauteil lösbar an dem Rückflusssperrbauteil 200 angeordnet werden kann. Das se parate Bauteil der Fasereinführung 210 weist im Ausführungsbeispiel der Figur 2 und 3 jeweils zwei Einzelelemente 220 auf, die durch eine zentrierende Verschlussein richtung 230 an dem Rückflusssperrbauteil 200 angeordnet werden können. Im Aus führungsbeispiel der Figur 2 sind die Einzelelemente 220 in einem geschlossenen Zustand an dem Rückflusssperrbauteil 200 zu sehen, während in Figur 3 die Ein zelelemente 220 und einem geöffneten Zustand zu sehen sind.
Zu der Verschlusseinrichtung 230 gehört des Weiteren ein Verspannelement 231 in Form einer Überwurfmutter, mit der in Verbindung mit einer Zentriereinrichtung 233 der Verschlusseinrichtung 230 die Einzelelemente 220 der Fasereinführung 210 form- und/oder kraftschlüssig mit dem Rückflusssperrbauteil 200 zentriert verbunden werden können. Dies kann beispielsweise mithilfe eines Feingewindes erfolgen, das an einem Kragen des Rückflusssperrbauteil 200 angeordnet ist. Durch eine konische Innenform des Verspannelements 231 , die mit einer chronischen Außenform der Ein zelelemente 220 zusammenwirkt, kann die Fasereinführung fest an dem Rückfluss sperrbauteil 200 angeordnet werden. Zeitgleich findet ein Verspannen der Flalbscha- len gegeneinander statt. Die gewinkelte Fläche erzeugt eine Kraft nach unten (Befes tigen der Einzelelemente an dem Bauteil) und eine Kraft nach innen (radial, um die Einzelelemente zusammen zu pressen) durch Anziehen der Überwurfmutter. Unter einer Zentrierung wird hier verstanden, dass der Kanalausgang der Faserein führung 210 über dem Bereich des Kanaleingangs des Rückflusssperrbauteils 200 liegt. Die Einzelelemente 220 weisen Vorsprünge und Vertiefungen auf (in Art einer Nut-Feder-Verbindung), die ineinander greifen und die Einzelelemente gegeneinan der fixieren. Zusätzlich ist eine entsprechende Passung am Rückflusssperrbauteil 200 vorgesehen, in die die Einzelelemente 220 eingreifen und so die Fasereinfüh rung 210 zentriert an dem Bauteil anordnen. Durch das Verspannelement 231 wer den die Einzelelemente 220 sowohl gegenseitig als auch am Bauteil fixiert.
An der Fasereinführung 210 kann des Weiteren eine Fleizeinrichtung 270 vorgese hen sein, um das eingeführte Fasermaterial 10 entsprechend Temperieren zu kön nen.
Im Inneren des Rückflusssperrbauteil befindet sich zum einen ein Faserzuführkanal 240 und zum anderen ein Kunststoffzuführkanal 250. Der Faserzuführkanal beginnt am oberen Ende der Fasereinführung 210 und mündet an einem gemeinsamen Aus trittskanal 260, der dann in die Imprägnierkavität des Imprägnierbauteils führt. Selbi ges gilt für den Kunststoffzuführkanal 250, der an einer Kunststoffzuführung 251 be ginnt und ebenfalls in dem gemeinsamen Austrittskanal 260 mündet.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 und 3 weist der Faserzuführkanal einen ersten Kanalabschnitt 241 auf, der durch den Abschnitt des durch die Fasereinführung 210 gebildet und Faserzuführkanals gebildet wird. Daran schließt sich ein zweiter Kanal abschnitt 242 an, der sich in dem Rückflusssperrbauteil befindet und separat von dem Kunststoffzuführkanal 250 ist. Schließlich existiert ein dritter Kanalabschnitt 243, innerhalb dessen das Fasermaterial 10 und das Kunststoffmaterial 12 gemeinsam geführt werden und der in dem gemeinsamen Austrittskanal 260 mündet.
Der Kunststoffzuführkanal 250 weist eine Hauptabschnitt 252 und eine Nebenab schnitt 253 auf. Sowohl der Hauptabschnitt 252 als auch der Nebenabschnitt 253 führen zu dem gemeinsamen Austrittskanal 260, sodass im dritten Kanalabschnitt 243 des Faserzuführkanals 240 das Kunststoffmaterial zusammen mit dem Faserma terial in einem gemeinsamen Kanal geführt werden. Die Innenflächen zumindest eines Teils des Faserzuführkanals 240 sollten eine sehr geringe Oberflächenrauigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen, da das Fasermaterial 10 mit den Innenflächen des Faserzuführkanals 240 in Berührung kommt. Dies betrifft insbesondere den ersten und zweiten Kanalabschnitt 241 und 242, wobei insbesondere der erste Kanalabschnitt 241 einen deutlich geringeren Querschnitt hat als der zweite Kanalabschnitt 242.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Fasereinführung 210 aus insge samt 3 Einzelelementen 220 besteht. Jedes einzelne Element bildet dabei einen axi alen Teil der Innenfläche des ersten Kanalabschnittes 241 des Faserzuführkanals 240, wobei im zusammengesetzten Zustand dann der vollständige erste Kanalab schnitt 241 des Faserzuführkanals 240 gebildet wird. Vorzugsweise hat der erste Ka nalabschnitt 241 dann eine rechteckige Querschnittsform.
In den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 4 ist der erste Kanalabschnitt 241 gradlinig und weist insbesondere keine Krümmungen oder Welligkeiten auf. Im Aus führungsbeispiel der Figur 5 ist eine Fasereinführung 210 abgebildet, die im zusam mengesetzten Zustand eine wellenförmigen ersten Kanalabschnitt 241 des Faserzu führkanals zeigt.
Figur 6 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Fasereinführung 210, die in einem Bereich 211 geschlitzt ist. Flierdurch werden zwei Teilbereiche der Fasereinführung 210 gebildet. Jeder Teilbereich der Fasereinführung kann dabei mit einem separaten Temperierelement 270 versehen werden, um so unterschiedliche Temperierzonen im Fasereinführbereich zu bilden. So kann beispielsweise die Temperatur der einen Zone bewusst unterhalb der Temperatur des flüssigen Kunststoffes eingestellt wer den, um eine Erhöhung der Viskosität des flüssigen Kunststoffes zu erreichen und dadurch das Aufsteigen und Austreten des flüssigen Kunststoffes zu verhindern.
Figur 7 zeigt in einer Detaildarstellung das aufgesetzte Aufspreizenbauteil 130, wel ches das Fasermaterial 10 vor der Einführung in die Imprägniervorrichtung 100 bzw. in die Fasereinführung 200 aufspreizen soll. Hierzu wird das Fasermaterial 10 über ein Rollensystem 131 gelenkt, sodass das Fasermaterial ständig seine Richtung än dert.
An einer der Rollen kann dabei eine Elektrode in Form einer Rollenelektrode 132 an geordnet sein, die mit einer Gegenelektrode 133 derart zusammenwirkt, dass zwi schen der Rollenelektrode 132 in der Gegenelektrode 133 ein Stromfluss in dem elektrisch leitfähigen Fasermaterial bewirkt wird. Dieser Stromfluss führt zu einer Er wärmung des Fasermaterials und somit zu einer Temperierung. Dabei kann ein Sen sor 134 vorgesehen sein, um kontinuierlich die Temperatur des Fasermaterials zu er fassen.
Figur 8 zeigt die Kanalführung des Faserzuführkanals und des Kunststoffzuführka- nals des Rückflusssperrbauteil 200. Zu erkennen ist, dass im Faserzuführkanal 240 der Verlauf des Faserzuführkanals S-förmig verläuft, wobei eine erste Krümmung 240a und eine zweite Krümmung 240b den S-förmigen Verlauf des Faserzuführka nals 240 bilden. Zwischen der ersten Krümmung 240a und der zweiten Krümmung 240b mündet der Nebenabschnitt 253 des Kunststoffzuführkanals in den Faserzu führkanal 240. Die erste Krümmung 240a ist dabei so gewählt, dass das Fasermate rial 10 an einer ersten Innenseite des Faserzuführkanals 240 anliegt, an der auch der Nebenabschnitt 253 des Kunststoffzuführkanals in den Faserzuführkanal 240 mün det. Das Fasermaterial wird dann von der ersten Innenseite an der ersten Krümmung 240a zu der gegenüberliegenden zweiten Innenseite der zweiten Krümmung 240b geführt. Wie zu erkennen ist, bildet somit das Fasermaterial zwischen der ersten Krümmung und der zweiten Krümmung eine Rückflusssperre, da das Kunststoffma terial entgegen der Förderrichtung zwischen Fasermaterial und erster Innenseite an der ersten Krümmung entlang gedrückt werden müsste.
Dabei ist in Figur 8 an einer dritten Krümmung 240c eine Elektrode 271 der Fleizein- richtung 270 (dieser Figur nicht dargestellt) vorgesehen, die mit einer Gegenelekt rode 272 zum Bewirken eines Stromflusses zusammenwirkt. In dem Strom durchflos senen Bereich des Fasermaterials wird dabei das Fasermaterial erwärmt.
Figur 9 zeigt das Wirkprinzip der Rückflusssperre, die durch das Fasermaterial be wirkt wird, in einer schematisch vereinfachten Darstellung. Durch die Zugkraft, die zur kontinuierlichen Förderung an dem Fasermaterial in Extrusionsrichtung anliegt, wird das Fasermaterial an die erste Innenseite 244a der ersten Krümmung 240a ange drückt. Die Andruckkraft ergibt sich dabei aus der Zugkraft zur Förderung des Faser materials. Analog dazu wird das Fasermaterial an die zweite Innenseite 244b der zweiten Krümmung 240b angedrückt. Da nun das Kunststoffmaterial zwischen der ersten Krümmung 240a und der zweiten Krümmung 240b an der ersten Innenseite 244a in den Faserzuführkanal 240 einmündet, bleibt dem Kunststoffmaterial der Weg entgegen der Förderrichtung aufgrund des Fasermaterials 10 versperrt. Das Kunst stoffmaterial müsste die auf das Kunststoffmaterial wirkende Kraft aufgrund des För- derns des Fasermaterials sowie die Andruckkraft des Fasermaterials an der ersten Krümmung 240a überwinden, um im Faserzuführkanal aufzusteigen. Zwar wird das Fasermaterial mit dem Kunststoffmaterial benetzt, jedoch verhindert eine ausrei chende zumindest teilweise kontinuierliche Förderung des Fasermaterials ein voll ständiges Durchdringen bis zum Austreten bzw. Überwinden der Rückflusssperre.
Bezuqszeichenliste
10 Fasermaterial 12 Kunststoffmaterial 100 Imprägniervorrichtung
110 Rückflusssperrbauteil
111 Fasereinführung
112 Rückflusssperre
120 Imprägnierbauteil
121 Austrittsdüse
122 Ultraschallsonotrode
123 Imprägnierkavität
124 Positionierungselemente
130 Aufspreizenbauteil
131 Rollensystem
132 Rollenelektrode
133 Gegenelektrode
134 Temperatursensor 200 Rückflusssperrbauteil
210 Fasereinführung
211 geschlitzte Bereiche
220 Einzelelemente der Fasereinführung
230 Verschlusseinrichtung
231 Verspannelement
232 Feingewinde
240 Faserzuführkanal 240a erste Krümmung 240b zweite Krümmung 240c dritte Krümmung
241 erster Kanalabschnitt
242 zweiter Kanalabschnitt
243 dritter Kanalabschnitt 244a erste Innenseite 244b zweite Innenseite
250 Kunststoffzuführkanal
251 Kunststoffzuführung 252 Hauptabschnitt
253 Nebenabschnitt
260 gemeinsamer Austrittskanal 270 Heizeinrichtung 271 Elektrode der Heizeinrichtung
272 gegen Elektrode der Heizeinrichtung

Claims

Patentansprüche:
1. Imprägniervorrichtung (100) zum Imprägnieren mindestens eines quasiend losen Fasermaterials (10) mit einem Kunststoffmaterial (12), das bei einer entsprechenden Prozesstemperatur aufgeschmolzen ist, aufweisend min destens einen Faserzuführkanal (240) mit einer Fasereinführung (111), um das quasiendlose Fasermaterial (10) der Imprägniervorrichtung (100) zuzu führen, und mindestens einen Kunststoffzuführkanal (250) mit einer zu der Fasereinführung (111) getrennt vorliegenden Kunststoffeinführung, um das Kunststoffmaterial (12) getrennt zu dem Fasermaterial (10) der Imprägnier vorrichtung (100) zuzuführen, wobei der mindestens eine Faserzuführkanal (240) und der mindestens eine Kunststoffzuführkanal (250) zumindest ab schnittsweise getrennt vorliegen und in einer gemeinsamen Imprägnierkavi tät (123) münden, um das quasiendlose Fasermaterial (10) mit dem zuge führten und aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial (12) zu imprägnieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniervorrichtung (100) einen Rückflusssperrbereich hat, bei dem der Faserzuführkanal (240) zumindest abschnittsweise einen S-förmigen Verlauf aufweist, der durch zwei Krüm mungen mit gegenteiligen Krümmungsrichtungen gebildet wird, zwischen denen der Faserzuführkanal (240) mit dem mindestens einen Kunststoffzu führkanal (250) zusammengeführt wird, so dass anschließend ein gemeinsa mer Kanalabschnitt gebildet wird.
2. Imprägniervorrichtung (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungen des Faserzuführkanals (240) derart ausgebildet sind, dass das Fasermaterial (10) bei der ersten Krümmung (240a) an einer ers ten Innenseite (244a) des Faserzuführkanals (240) und an der zweiten Krümmung (240b) an einer der ersten Innenseite (244a) gegenüberliegen den zweiten Innenseite (244b) des Faserzuführkanals (240) kontaktbehaftet entlanggeführt wird.
3. Imprägniervorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kunststoffzuführkanal (250) zwischen der ersten und zweiten Krümmung (240a, 240b) in den Faserzuführkanal (240) an der ersten Innenseite (244a) des Faserzuführkanals (240) einmündet.
4. Imprägniervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniervorrichtung (100) mindestens eine Fleizeinrichtung (270) hat, die zum Temperieren des Fasermaterials (10) und/oder des Kunststoffmaterials (12) ausgebildet ist.
5. Imprägniervorrichtung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Fleizeinrichtung (270) eine in dem Faserzuführkanal (240) an geordnete Elektrode an einer Position aufweist, an der das Fasermaterial (10) kontaktbehaftet an der Elektrode entlanggeführt wird, wobei die Fleiz einrichtung (270) zum Erzeugen eines Stromflusses in einem elektrisch leit fähigen Fasermaterial (10) mittels der Elektrode eingerichtet ist.
6. Imprägniervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Faserzuführkanals (240) im Wesentlichen der Breite des Fasermaterials (10) entspricht.
7. Imprägniervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasereinführung (111) ein von der übri gen Imprägniervorrichtung (100) getrenntes Bauteil ist, das zum lösbaren Anordnen an der Imprägniervorrichtung (100) ausgebildet ist und das min destens zwei von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zu stand bringbare Einzelelemente aufweist, die im geschlossenen Zustand zu mindest einen Abschnitt des Faserzuführkanals (240) ausbilden.
8. Imprägniervorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennebene der Einzelelemente (220) der Fasereinführung (111) in der Achse des durch die Fasereinführung (111) gebildeten Abschnittes des Faserzuführkanals (240) liegt.
9. Imprägniervorrichtung (100) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, dass eine Verschlusseinrichtung (230) vorgesehen ist, die zum form- und/oder kraftschlüssigen Anordnen der Einzelelemente (220) der Faserein führung (111) an der Imprägniervorrichtung (100) ausgebildet ist.
10. Imprägniervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des durch die Fasereinführung (111) gebildeten Abschnittes als erster Abschnitt des Faserzuführkanals (240) kleiner ist als ein sich unmittelbar an die Fasereinführung (111) an schließender zweiter Abschnitt des Faserzuführkanals (240).
11. Imprägniervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Fasereinführung (111) gebildete Ab schnitt im Wesentlichen gradlinig, wellenförmig oder doppel-S-förmig ver läuft oder dass der durch die Fasereinführung (111) gebildete erste Ab schnitt mindestens eine Krümmung aufweist.
12. Imprägniervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflusssperrbereich in Förderrichtung des Fasermaterials (10) vor der Imprägnierkavität (123) angeordnet ist.
13. Imprägniervorrichtung (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückflusssperrbereich in einem Rückflusssperrbauteil (110) vorge sehen ist, welches lösbar mit einem die Imprägnierkavität (123) aufweisen den Imprägnierbauteil (120) befestigt oder befestigbar ist.
14. Rückflusssperrbauteil (110) für die Verwendung bei einer Imprägniervorrich tung (100) zum Imprägnieren eines quasiendlosen Fasermaterials (10) mit einem Kunststoffmaterial (12), wobei das Rückflusssperrbauteil (110) min destens einen Faserzuführkanal (240) mit einer Fasereinführung (111) hat, um das quasiendlose Fasermaterial (10) zuzuführen, und mindestens einen Kunststoffzuführkanal (250) mit einer zu der Fasereinführung (111) getrennt vorliegenden Kunststoffeinführung hat, um das Kunststoffmaterial (12) ge trennt zu dem Fasermaterial (10) zuzuführen, wobei der mindestens eine Faserzuführkanal (240) und der mindestens eine Kunststoffzuführkanal (250) zumindest abschnittsweise getrennt vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückflusssperrbauteil (110) einen Rückflusssperrbereich hat, bei dem der Faserzuführkanal (240) zumindest abschnittsweise einen S-för migen Verlauf aufweist, der durch zwei Krümmungen mit gegenteiligen Krümmungsrichtungen gebildet wird, zwischen denen der Faserzuführkanal (240) mit dem mindestens einen Kunststoffzuführkanal (250) zusammenge führt wird, so dass anschließend ein gemeinsamer Kanalabschnitt gebildet wird.
15. Verfahren zum Imprägnieren mindestens eines quasiendlosen Fasermateri als (10) mit einem Kunststoffmaterial (12), wobei das Verfahren die folgen den Schritte umfasst:
- Bereitstellen einer Imprägniervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
- Einführen des quasiendlosen Fasermaterials (10) in die bereitgestellte Im prägniervorrichtung (100), und
- kontinuierliches Zuführen des Kunststoffmaterials (12) und des quasiend losen Fasermaterials (10) in die Imprägnierkavität (123) der Imprägniervor richtung (100), um das quasiendlose Fasermaterial (10) mit dem Kunst stoffmaterial (12) zu imprägnieren,
- wobei in einem in der Imprägniervorrichtung (100) vorgesehenen Rück flusssperrbereich das Fasermaterial (10) durch einen S-förmigen Verlauf des Faserzuführkanals (240) geführt wird, wobei zwischen den beiden Krümmungen des S-förmigen Verlaufes das Kunststoffmaterial (12) durch den dazwischen einmündenden Kunststoffzuführkanal (250) in den ge meinsamen Kanalabschnitt gedrückt wird.
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