Vorrichtung und Verfahren zur in-situ-Schneckenimprägnierung und Extrusion von Endlosfasern

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Versehen zumindest eines wenigstens eine Filament aufweisen den Faserelements mit einem Matrixmaterial.

Die US 2005/0221085 Al offenbart ein Verfahren zum Herstellen von kunststoffbeschichteten Fasern.

Der DE 10 2012 220 520 Al ist ein Verfahren zum Imprägnieren eines Rovings als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird das Roving mit einer ersten Temperatur bereitgestellt. Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird das auch als Faserbündel bezeichnete Roving auf eine definierte zweite Temperatur erwärmt. Bei einem dritten Schritt des Verfahrens wird ein Matrix-Gemisch mit einer dritten Temperatur zuge führt. Außerdem wird das erwärmte Roving mit dem zugeführten Matrix-Gemisch imprägniert.

Außerdem ist aus der DE 10 2001 005 462 B3 ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes in Form eines mit einem polymerimprägnierten Faserbandes bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, sodass zumindest ein Faserele ment auf besonders einfache und kostengünstige Weise mit ei nem Matrixmaterial versehen, insbesondere imprägniert und ge gebenenfalls letztendlich direkt zu einem Bauteil extrudiert werden kann, wodurch Zwischenschritte in Form von Halbzeugen obsolet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Versehen zumindest eines beispielsweise als Verstärkungsfa serelement ausgebildeten Faserelements mit einem einfach auch als Matrix bezeichneten Matrixmaterial, wobei das Faserele ment wenigstens ein Filament aufweist. Das Filament kann als eine einzelne Faser, insbesondere Draht, beliebiger Länge de finiert sein. Das Filament an sich kann biegeschlaff bezie hungsweise formlabil oder aber biegesteif beziehungsweise ei gensteif, das heißt formstabil sein. Das Filament kann ein Draht aus einem Kunststoff, das heißt ein Kunststoffdraht sein. Im Rahmen der Erfindung ist - falls nichts anderes de finiert ist - unter dem Begriff „Filament" eine einzelne Fa ser, insbesondere beliebiger Länge, zu verstehen, wobei das Filament aus einem beliebigen beziehungsweise aus jedwedem Werkstoff gebildet sein kann.

Bei dem Faserelement kann es sich um eine feine Litze, einen Draht oder einen anderen faserförmigen Werkstoff handeln. Insbesondere kann das Faserelement ein Strang, insbesondere ein zusammenhängender Strang, sein, der beispielsweise genau ein Filament oder mehrere Filamente umfassen kann. Insbeson dere kann das Faserelement ein Bündel, insbesondere in Faser bündel, aufweisen, welches mehrere, insbesondere nebeneinan der angeordnete und insbesondere einzelne Filamente umfassen kann. Das Faserelement kann eine Verstärkungsfaser bezie hungsweise ein Verstärkungsfaserelement sein.

Weist das Faserelement genau beziehungsweise lediglich ein Filament auf, so ist das Faserelement an sich als ein Fila ment oder Monofilament, das heißt als ein Verstärkungsfila ment ausgebildet. Insbesondere ist es jedoch denkbar, dass das Faserelement mehrere Filamente, das heißt ein einfach auch als Bündel bezeichnetes Filament- oder Faserbündel mit mehreren Filamenten beziehungsweise Fasern aufweist. Das Filament ist beispielsweise aus Karbon beziehungsweise Koh lenstoff oder aber aus Glas gebildet, sodass das Faserelement als Kohlefaser oder Glasfaser ausgebildet sein kann. Andere Werkstoffe sind jedoch ohne weiteres denkbar, sodass das Fa serelement beispielsweise als Aramidfaser oder andere Ver stärkungsfaser ausgebildet sein kann. Außerdem sind alterna tiv oder zusätzlich nicht-Verstärkungselemente denkbar. Das Faserelement kann optisch und/oder elektrisch leitfähig sein. Das Faserelement kann somit aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, insbesondere metallischen Werkstoff, gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Faserelement aus einem optisch leitfähigen Werkstoff wie beispielsweise Glas gebildet sein.

Unter dem Merkmal, dass das Faserelement mittels der Vorrich tung mit dem Matrixmaterial versehen werden kann beziehungs weise versehen wird, ist insbesondere zu verstehen, dass das Faserelement und somit das Filament beispielsweise mit dem Matrixmaterial imprägniert oder getränkt oder infiltriert o- der beschichtet werden. Insbesondere wird das Faserelement beispielsweise zumindest außenumfangsseitig mit dem Matrixma terial versehen und somit mit dem Matrixmaterial beschichtet.

Die Vorrichtung weist ein Gehäuse auf, in welches das Matrix material einbringbar ist beziehungsweise eingebracht wird.

Die Vorrichtung umfasst ferner eine beispielsweise als Axial förderschnecke ausgebildete Förderschnecke, welche zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollstän dig, in dem Gehäuse, insbesondere in einem durch das Gehäuse begrenzten Aufnahmeraum, angeordnet ist. Die Förderschnecke verläuft dabei zumindest in einem in dem Gehäuse angeordneten beziehungsweise aufgenommenen Längenbereich der Förderschne cke konisch, sodass die Förderschnecke zumindest in dem Län genbereich einen konischen Verlauf aufweist. Außerdem ist die Förderschnecke um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuse dreh bar. Mittels der Förderschnecke ist unter Drehen der Förder schnecke, das heißt dadurch, dass die Förderschnecke um die Drehachse relativ zu dem Gehäuse gedreht wird, das in das Ge häuse eingebrachte Matrixmaterial in eine Förderrichtung be ziehungsweise entlang einer Förderrichtung zu fördern. Außer dem ist mittels der Förderschnecke unter Drehen der Förder- Schnecke das in das Gehäuse eingebrachte Matrixmaterial mit einem Druck beaufschlagbar. Dies bedeutet, dass das in das Gehäuse eingebrachte Matrixmaterial mittels der Förderschne cke dadurch, dass die Förderschnecke gedreht wird, unter Druck gesetzt wird beziehungsweise unter Druck gesetzt werden kann. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt kann mittels der Förderschnecke, dadurch, dass die Förderschnecke um die Dreh achse relativ zu dem Gehäuse gedreht wird, ein Druck auf das Matrixmaterial ausgeübt beziehungsweise bewirkt werden, dass das in das Gehäuse eingebrachte Matrixmaterial einen Druck, welcher vorzugsweise größer oder kleiner als der atmosphäri sche Druck ist, aufweist. Beispielsweise ist das in das Ge häuse eingebrachte Matrixmaterial mittels der Förderschnecke unter Drehen der Förderschnecke komprimierbar.

Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus wenigstens einen in nerhalb der Förderschnecke verlaufenden Imprägnierungskanal, durch welchen das Faserelement, insbesondere in eine mit der Drehachse zusammenfallende beziehungsweise parallel zur Dreh achse verlaufende Bewegungsrichtung, hindurchförderbar ist. Der Imprägnierungskanal verläuft vorzugsweise zumindest im Wesentlichen geradlinig beziehungsweise entlang einer Gera den, sodass das Faserelement besonders vorteilhaft und rei bungsarm durch den Imprägnierungskanal hindurchgefördert wer den kann.

Außerdem weist die Vorrichtung wenigstens einen innerhalb der Förderschnecke verlaufenden Verbindungskanal auf. Da bei spielsweise der Imprägnierungskanal und der Verbindungskanal innerhalb der Förderschnecke verlaufen, sind der Imprägnie rungskanal und der Verbindungskanal, welche zusammenfassend auch als Kanäle bezeichnet werden, Bestandteile der Förder schnecke beziehungsweise die Förderschnecke weist die Kanäle auf. Über den Verbindungskanal kann das Matrixmaterial aus dem Matrixkanal in den Imprägnierungskanal, insbesondere auf grund des Drucks, geführt werden. Mit anderen Worten ist der Matrixkanal über den Verbindungskanal fluidisch mit dem Im prägnierungskanal verbunden. Dies bedeutet, dass der Verbin- dungskanal den Matrixkanal mit dem Imprägnierungskanal flui- disch verbindet, da der Verbindungskanal einerseits fluidisch mit dem Matrixkanal und andererseits fluidisch mit dem Im prägnierungskanal verbunden ist. Dadurch kann beispielsweise das Matrixmaterial aus dem Matrixkanal in den Verbindungska nal einströmen und den Verbindungskanal durchströmen. Außer dem kann das den Verbindungskanal durchströmende Matrixmate rial aus dem Verbindungskanal ausströmen und in den Impräg nierungskanal einströmen.

Bei dem Versehen des Faserelements mit dem Matrixmaterial strömt beispielsweise das Matrixmaterial aufgrund des zuvor genannten und mittels der Förderschnecke bewirkten Drucks des Matrixmaterials im Matrixkanal aus dem Matrixkanal in den Verbindungskanal, durch den Verbindungskanal und aus dem Ver bindungskanal in den Imprägnierungskanal. Hierdurch ist das Faserelement in dem Imprägnierungskanal mit dem Matrixmateri al zu versehen, insbesondere zu imprägnieren. Die erfindungs gemäße Vorrichtung ermöglicht eine zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Imprägnierung des Faserelement mit dem Mat rixmaterial, da das Faserelement zumindest im Wesentlichen kontinuierlich durch den Imprägnierungskanal gefördert, das Matrixmaterial zumindest im Wesentlichen kontinuierlich aus dem Matrixkanal über den Verbindungskanal in den Imprägnie rungskanal geführt und dadurch das Faserelement mit dem in den Imprägnierungskanal einströmenden Matrixmaterial versehen werden kann, insbesondere während beispielsweise zumindest im Wesentlichen kontinuierlich Matrixmaterial in das Gehäuse eingebracht wird.

Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine in-situ-Imprägnierung des vorzugsweise als Endlosfaser bezie hungsweise als Endlosverstärkungsfaser ausgebildeten Fa serelements mit dem Matrixmaterial. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine in-situ-Imprägnierung des Faserelements mit dem Matrixmaterial sowie eine Extrusion des Faserelements oder die erfindungsgemäße Vorrichtung schafft zumindest eine Voraussetzung für die zuvor genannte Extrusion des mit dem Matrixmaterial versehenen Faserele ments, sodass die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vor teilhaft für generative Fertigungsverfahren und dabei insbe sondere für generative Extrusionsverfahren verwendet werden kann .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es dabei, das mit dem Matrixmaterial versehene Faserelement für ein generatives Fertigungsverfahren bereitzustellen, sodass beispielsweise wenigstens ein Bauelement aus dem mit dem Matrixmaterial ver sehenen Faserelement, welches in mit dem Matrixmaterial ver sehenen Zustand von der Vorrichtung bereitgestellt wird be ziehungsweise bereitgestellt werden kann, hergestellt werden kann. Hierzu werden beispielsweise aus dem mit dem Matrixma terial versehenen Faserelement, insbesondere auf einem Sub strat, Schichten hergestellt und diese Schichten werden ne beneinander und/oder aufeinander beziehungsweise übereinander gestapelt, wodurch das Bauelement schichtweise aufgebaut wird, insbesondere ohne das mit dem Matrixmaterial versehene Faserelement nachdem es aus der Vorrichtung herausgeführt wird und bevor das Bauelement aus dem mit dem Matrixmaterial versehenen Faserelement aufgewickelt beziehungsweise zwi schengelagert wird. Dadurch kann das Bauelement besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden.

Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine zu mindest im Wesentlichen gleichmäßige Imprägnierung des Fa serelements, insbesondere des Faserbündels, mit dem Matrixma terial, sodass lokale Faseranhäufungen sowie trockene Stel len, die nicht mit dem Matrixmaterial versehen sind, vermie den werden können.

Das Matrixmaterial wird beispielsweise in festem Zustand und/oder in Form von insbesondere fester, granulärer Materie in das Gehäuse eingebracht und dann beispielsweise, insbeson dere mittels der Förderschnecke und/oder mittels wenigstens eines Heizelements der Vorrichtung, erwärmt und dadurch an- und/oder aufgeschmolzen . Mit anderen Worten wird beispiels- weise das zunächst feste, das heißt in festem Zustand vorlie gende Matrixmaterial, welches in festem Zustand in das Gehäu se und/oder in Schneckengänge der Förderschnecke eingebracht wird, plastifiziert und dadurch in einen flüssigen bezie hungsweise zähflüssigen, höherviskosen Zustand überführt, insbesondere indem das Matrixmaterial erwärmt beziehungsweise beheizt und dadurch geschmolzen oder plastifiziert wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nimmt durch den konischen Verlauf des Längenbereichs der Förderschnecke eine in radialer Richtung der Förderschnecke verlaufende Breite des Matrixkanals entlang der Förderrichtung ab. Hierdurch kann das Matrixmaterial bei seiner Förderung durch den Mat rixkanal besonders vorteilhaftmit dem Druck beaufschlagt wer den. Mit anderen Worten kann ein besonders hoher Wert des Drucks realisiert werden, sodass das Matrixmaterial auf be sonders vorteilhafte Weise dazu gebracht wird, durch den Ver bindungskanal zu strömen und somit über den Verbindungskanal aus dem Matrixkanal in den Imprägnierungskanal zu strömen. Insbesondere kann durch die abnehmende Breite das Matrixmate rial mittels der Förderschnecke besonders vorteilhaft kompri miert beziehungsweise verdichtet werden, sodass das Faserele ment in dem Imprägnierungskanal besonders vorteilhaft mit dem Matrixmaterial versehen werden kann. Die radiale Richtung der Förderschnecke, deren axiale Richtung mit der Drehachse zu sammenfällt, verläuft senkrecht zur Drehachse, sodass die Breite entlang einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Richtung verläuft.

Der beispielsweise auch als Förderkanal oder Schneckengang bezeichnete Matrixkanal ist in radialer Richtung der Förder schnecke beispielsweise einerseits durch die Förderschnecke, insbesondere durch einen Kern der Förderschnecke, und ande rerseits durch das Gehäuse, insbesondere durch eine innenum fangsseitige Mantelfläche des Gehäuses begrenzt, sodass sich beispielsweise die Breite in radialer Richtung der Förder schnecke von dem Kern bis zu der innenumfangsseitigen Mantel fläche beziehungsweise umgekehrt erstreckt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung nimmt ein, sich insbesondere entlang einer parallel zur Drehachse verlaufenden beziehungsweise mit der Drehachse zusammenfal lenden Richtung erstreckender, Abstand zwischen zwei einander zugewandten und einfach auch als Flanken bezeichneten Steg flanken der Förderschnecke, insbesondere von jeweiligen Ste gen der Förderschnecke, entlang der Förderrichtung ab. Der zuvor beschriebene Abstand wird auch als Flankenabstand be zeichnet, welcher entlang der Förderrichtung beziehungsweise in die Förderrichtung abnimmt. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Geometrie der Förderschnecke realisiert werden, sodass das Matrixmaterial besonders vorteilhaft gefördert und mit dem Druck beaufschlagt werden kann. Hierdurch kann ge währleistet werden, dass das Matrixmaterial zumindest im We sentlichen kontinuierlich durch den Verbindungskanal strömt und somit in den Imprägnierungskanal einströmt. Alternativ oder zusätzlich kann gewährleistet werden, dass das Matrixma terial mit einem vorteilhaften und insbesondere hinreichend hohen Druck in den Imprägnierungskanal einströmt, wodurch das Faserelement besonders gut mit dem Matrixmaterial versehen, insbesondere imprägniert, werden kann.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung mehrere weitere, innerhalb der Förderschnecke verlaufende Verbindungskanäle aufweist, über welchen das Mat rixmaterial aus dem Matrixkanal in den Imprägnierungskanal zu führen ist. Die vorigen und folgenden Ausführungen zu dem ersten Verbindungskanal können ohne weiteres auch auf die weiteren Verbindungskanäle übertragen werden und umgekehrt. Vorzugsweise sind die Verbindungskanäle voneinander beab- standet. Alternativ oder zusätzlich kann der jeweilige Ver bindungskanal an sich zumindest im Wesentlichen geradlinig verlaufen. Durch das Führen des Matrixmaterial aus dem Mat rixkanal in den Imprägnierungskanal kann das Faserelement mit dem Matrixmaterial versehen, insbesondere imprägniert, wer den. Dadurch, dass vorzugsweise mehrere Verbindungskanäle, insbesondere wenigstens ein, zwei oder drei oder mehr Verbin- dungskanäle oder demgegenüber mehr Verbindungskanäle zum Ein satz kommen, kann das Faserelement auf seinem Weg durch den Imprägnierungskanal besonders gleichmäßig mit dem Matrixmate rial imprägniert werden. Hierdurch können trockene Stellen im Kern des Faserelements vermieden werden.

Um das Faserelement besonders gleichmäßig mit dem Matrixmate rial versehen zu können, insbesondere während das Faserele ment durch den Imprägnierungskanal hindurchgefördert wird, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Verbindungskanäle helixartig angeordnet sind. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Verbindungskanäle entlang einer gedachten und auch als Schraube oder Wendel bezeichne- ten Helix beziehungsweise Schraubenlinie angeordnet sind, so- dass sich eine besonders gleichmäßige Imprägnierung des Fa serelements mit dem Matrixmaterial realisieren lässt. Unter der helixartigen Anordnung der Verbindungskanäle ist bei spielsweise zu verstehen, dass jeweilige erste Öffnungen, über die die Verbindungskanäle in den Matrixkanal münden, entlang einer gedachten Schraubenlinie angeordnet sind, die sich beispielsweise, insbesondere mit einer konstanten Stei gung, um einen Mantel beziehungsweise um eine außenumfangs seitige Mantelfläche der Förderschnecke windet. Der jeweilige Verbindungskanal an sich muss nicht notwendigerweise he lixförmig verlaufen, sondern ist vorzugsweise geradlinig aus gebildet beziehungsweise verläuft vorzugsweise geradlinig. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass jeweilige zweite Öffnungen der Verbindungskanäle, die über die zweiten Öffnungen in den Imprägnierungskanal münden, entlang einer gedachten Helix beziehungsweise Schraube oder Schraubenlinie angeordnet sind, die sich beispielsweise insbesondere mit ei ner konstanten Steigung um einen Mantel, insbesondere um eine innenumfangsseitige Mantelfläche, der Förderschnecke windet. Durch die helixartige oder helixförmige Anordnung der Verbin dungskanäle kann das Matrixmaterial besonders vorteilhaft in den Imprägnierungskanal eingeleitet werden, sodass das Fa serelement, insbesondere auf seinem Weg durch den Imprägnie- rungskanal, besonders vorteilhaft mit dem Matrixmaterial ver sehen werden kann.

Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gezeigt, wenn der jeweilige Verbindungskanal in Strömungsrichtung des den je weiligen Verbindungskanal durchströmenden Matrixmaterials an gefast ist. Hierdurch kann das Matrixmaterial besonders vor teilhaft in den Imprägnierungskanal geleitet werden, sodass das Faserelement besonders vorteilhaft mit dem Matrixmaterial versehen werden kann.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung weist die Vorrichtung wenigstens oder vorzugsweise genau einen innerhalb der Förderschnecke verlaufenden und mit dem Imprägnierungskanal verbundenen sowie sich in Richtung des Imprägnierungskanals verjüngenden Einführtrichter auf, in welchen das Faserelement einführbar ist. Dabei ist das Fa serelement über den Einführtrichter in die Förderschnecke einführbar. Dabei ist das Faserelement in den Imprägnierungs kanal über den Einführtrichter einleitbar oder einführbar.

Der Einführtrichter ermöglicht eine vorteilhafte, schonende und präzise Zentrierung des Faserelements, sodass dieses rei bungsarm und ohne zu stocken beziehungsweise ohne zu verklem men in die Förderschnecke eingeführt und weiter in den Im prägnierungskanal geführt und durch diesen hindurch gefördert werden kann.

Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Einführtrichter eine reibungsmindernde Beschichtung, bei spielsweise aus Teflon, aufweist. Hierdurch kann ein rei bungsarmer und somit problemloser Prozess gewährleistet wer den .

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest oder vorzugsweise genau einem Teilbereich des Matrixkanals eine Heizeinrichtung zugeordnet, mittels welcher der zumindest ei ne Teilbereich, insbesondere elektrisch, das heißt vorzugs weise unter Nutzung von elektrischer Energie, beheizbar, ins- besondere aktiv beheizbar, ist. Denkbar wäre auch eine Hei zung, durch die ein Medium, insbesondere ein Fluid und bei spielsweise eine Flüssigkeit wie zum Beispiel Öl strömt oder strömen kann und einen Kreislauf bildet. Demnach wäre auch eine passive Heizung denkbar. Auch andere Energieformen sind denkbar und teilweise Stand der Technik. Unter dem Merkmal, dass der zumindest eine Teilbereich aktiv beheizt werden kann, ist zu verstehen, dass die Heizeinrichtung aktiv Wärme bereitstellt, um dadurch den zumindest einen Teilbereich zu beheizen. Beispielsweise wandelt die Heizeinrichtung elektri sche Energie, die der Heizeinrichtung zugeführt wird, in Wär meenergie und somit in die Wärme, welche von der Heizeinrich tung bereitgestellt wird, um. Der zumindest eine Teilbereich ist dabei in radialer Richtung der Förderrichtung nach außen hin durch die Heizeinrichtung überdeckt.

Um dabei eine besonders vorteilhafte Strömung des Matrixmate rials aus dem Matrixkanal durch den Verbindungskanal und so mit in den Imprägnierungskanal sicherstellen zu können, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass dem zumindest einen Teilbe reich wenigstens ein weiterer Teilbereich des Matrixkanals entlang der Förderrichtung vorweggeht, sodass sich der zumin dest eine Teilbereich entlang der Förderrichtung an den wei teren Teilbereich anschließt. Dabei ist der weitere Teilbe reich unbeheizbar oder unbeheizt oder sogar gekühlt. Dies be deutet, dass der weitere Teilbereich frei von einer Heizein richtung ist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist bezo gen auf die Teilbereiche lediglich der zumindest eine Teilbe reich aktiv, das heißt mittels einer Heizeinrichtung, beheiz bar. Hierdurch kann beispielsweise zwischen den Teilbereichen ein vorteilhaftes Temperaturgefälle des Matrixkanals und so mit des Matrixmaterials realisiert werden, sodass dieses auf besonders vorteilhafte Weise dazu gebracht werden kann, über den Verbindungskanal aus dem Matrixkanal auszuströmen und in der Folge in den Imprägnierungskanal einzuströmen.

Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Heizeinrichtung an dem Gehäuse gehalten ist, sodass der zumindest eine Teilbereich in radialer Richtung der För derschnecke nach außen durch die Heizeinrichtung überdeckt ist. Dadurch können der zumindest eine Teilbereich und das Matrixmaterial besonders vorteilhaft aktiv beheizt werden.

Der Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zu grunde: Im Allgemeinen besitzen faserverstärkte Bauteile be ziehungsweise Bauelemente gegenüber unverstärkten Bauteilen aus mechanischer Sicht eine höhere Zugfestigkeit, Elastizität und Steifigkeit. In Kombination mit ihrem sehr günstigen Dau erschwingverhalten, ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihrer äu ßerst niedrigen Wärmeausdehnung und ihrem vergleichsweise gu ten Dämpfungsvermögen bei gleichzeitig sehr geringer Dichte sind Faserverbundwerkstoffe, das heißt faserverstärkte Bau teile, in vielen technischen Anwendungen besonders vorteil haft .

Um beispielsweise die Vorteile eines generativen Fertigungs verfahrens, insbesondere eines FLM-Prozesses , insbesondere im Hinblick auf eine Geometriefreiheit in 3D, und die Vorteile der Endlosfaserverstärkung nutzen können, müssen entweder komplett neue Halbzeuge entwickelt werden, die dann in einem sich anschließenden, separativen, additiven Prozess verarbei tet werden, oder es wird ein kombinierter, hybrider Prozess geschaffen, in welchem wenigstens ein beispielsweise als End losfaser ausgebildetes Faserelement beziehungsweise ein Fa serbündel aus Fasern, insbesondere Verstärkungsfasern, wobei das Faserelement beziehungsweise das Faserbündel zunächst nicht imprägniert und somit trocken ist, mit einem auch als Matrixwerkstoff bezeichneten Matrixmaterial versehen, insbe sondere imprägniert, und anschließend, insbesondere als ein Einzelstrang, extrudiert wird. Somit sieht beispielsweise ei ne erste Variante vor, dass das mit dem Matrixmaterial verse hene Faserelement aus dem Imprägnierungskanal, insbesondere aus der Vorrichtung insgesamt, herausgeführt und dann bei spielsweise, insbesondere zu einer Spule, aufgewickelt sowie beispielsweise gelagert wird. Nach dem Herausführen und vor dem Aufwickeln wird das mit dem Matrixmaterial versehene Fa- serelement beispielsweise abgeschreckt, insbesondere in einem Wasserbad. Das mit dem Matrixmaterial versehene Faserelement bildet somit beispielsweise ein Halbzeug, welches beispiels weise aufgewickelt und gelagert werden kann. Daran anschlie ßend kann das Halbzeug einem insbesondere generativen Ferti gungsverfahren zugeführt werden, um im Rahmen des generativen Fertigungsverfahrens aus dem Halbzeug wenigstens ein Bauele ment additiv zu fertigen. Diese erste Variante kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf besonders einfache und vorteilhafte Weise umgesetzt werden.

Eine zweite Variante sieht vor, das mit dem Matrixmaterial versehen Faserelement aus dem Imprägnierungsmaterial, insbe sondere aus der Vorrichtung, herauszuführen und - ohne das mit dem Matrixmaterial versehene Faserelement aufzuwickeln beziehungsweise zwischenzulagern und/oder abzuschrecken - gleich auf ein Substrat aufzubringen, insbesondere derart, dass aus dem mit dem Matrixmaterial versehenen Faserelement Schichten hergestellt werden, die auf dem Substrat aufeinan der angeordnet werden. Hierdurch kann wenigstens ein Bauele ment durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere durch 3D-Drucken, schichtweise, das heißt Schicht für

Schicht, hergestellt werden. Mittels der Vorrichtung wird beispielsweise das mit dem Matrixmaterial versehene Faserele ment auf das Substrat gedruckt, wodurch das Bauelement auf das Substrat gedruckt wird. Bei der zweiten Variante erfolgen somit eine Imprägnierung und eine Extrusion des mit dem Mat rixmaterial versehenen Faserelements.

Sowohl bei der Imprägnierung als auch bei der Extrusion liegt die Schwierigkeit in der Realisierung einer zumindest im We sentlichen homogenen Imprägnierung des Faserelements mit dem auch als Matrixwerkstoff bezeichneten Matrixmaterial sowie in einer gleichmäßigen Verteilung von beispielsweise handelsüb lichen Endlosfasern der Faserelements in dem Matrixmaterial. Das Matrixmaterial bildet dabei eine Matrix, in die Faserele ment beziehungsweise jeweilige Filamente des Faserelements einzubetten sind. Das jeweilige Filament an sich kann als ei- ne Endlosfaser ausgebildet sein. Die sich beispielsweise an das Versehen des Faserelements mit dem Matrixmaterial an schließende Extrusion des mit dem Matrixmaterial versehenen Faserelements, das dann eine imprägnierte Faser bildet, kann ebenfalls mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf be sonders vorteilhafte Weise realisiert werden, wobei durch die Extrusion der imprägnierten Faser eine direkte, additive Fer tigung beziehungsweise Herstellung des als Faserverbundbau teil ausgebildeten Bauelements ermöglicht wird. Insbesondere ermöglicht somit die Vorrichtung eine Durchführung eines ge nerativen Fertigungsverfahrens in Form eines FLM-, FFF- oder FDM-Verfahrens . Mit anderen Worten ermöglicht es die erfin dungsgemäße Vorrichtung, der Imprägnierung des Faserelements unmittelbar eine Extrusion des mit dem Matrixmaterial verse henen Faserelements anzuschließen, um durch die Extrusion das Bauelement auf die beschriebene Weise herzustellen.

Kommerzielle Filamentanlagen sind üblicherweise nicht verfüg bar. Das beispielsweise bei der ersten Variante als Halbzeug hergestellte, mit dem Matrixmaterial versehene Verstärkungs faserelement, welches beispielsweise als endlosfaserverstärk tes Filament, insbesondere als endlosfaserverstärktes Fila ment, ausgebildet ist, kann in einem separaten Prozess insbe sondere durch spezielle 3D-Drucker, weiterverarbeitet werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei herkömmlichen, mit Matrixmaterial versehenen Verstärkungsfaserelementen, insbe sondere bei herkömmlichen imprägnierten Rovings, Schlaufen in der Matrix existieren, welche beispielsweise dadurch entste hen können, dass flächige, vorimprägnierte Rovings unter Tem peratur und der Zugabe von Matrixmaterial wie beispielsweise Polyamid nachträglich durch eine enge Düse gezogen werden. Dies ist für die spätere Verarbeitung und die Qualität des Bauelements sehr nachteilig. Diese Probleme und Nachteile können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermieden werden. Bei einem bloßen Umspritzen eines Rovings ohne Druck an einem Düsenende verbleiben im Kern des Rovings trockene Fasern, die nicht von Matrixmaterial umhüllt sind und deshalb keinen strukturellen Zusammenhalt bieten. In Kombination mit einer inhomogenen Faserverteilung führen diese Fehlstellen letztlich zu einer Schwächung des gesamten Verbunds, der dadurch erheblich an Festigkeit verliert. Auch diese Probleme und Nachteile können durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vermieden werden.

Die Erfindung löst das eigentliche Problem, die Imprägnierung und die Extrusion des Verstärkungsfaserelements in zumindest nahezu gleichbleibender Qualität zu beherrschen, in einem Prozess zusammenzufassen und gleichzeitig die auch als Reak tor bezeichnete Vorrichtung so kompakt zu halten, dass die auch als Einheit bezeichnete Vorrichtung Platz in einer CNC- Maschine findet. Während somit beispielsweise ein bereits mit dem Matrixmaterial versehener erster Längenbereich des Ver stärkungsfaserelements, insbesondere mittels der Vorrichtung, extrudiert wird, wird ein sich an den ersten Längenbereich anschließender zweiter Längenbereich des Verstärkungsfa serelements mittels der Vorrichtung und insbesondere in der Vorrichtung mit dem Matrixmaterial versehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält als Eingang das bei spielsweise als Roving mit Glasfasern ausgebildete Verstär kungsfaserelement und das Matrixmaterial, welches beispiels weise aus Polyamid gebildet ist. Das Verstärkungsfaserelement wird durch den zentrierten, konischen und auch als Einzug be- zeichneten Einführtrichter in die auch als Düsenrichtung be zeichnete Förderrichtung gefördert. Die Vorrichtung weist beispielsweise wenigstens oder genau eine Austrittsöffnung auf, über die das mit dem Matrixmaterial versehene Verstär kungsfaserelement aus der Vorrichtung austreten kann. Die Austrittsöffnung bildet beispielsweise eine Düse oder ist Be standteil einer Düse, welche sich nicht notwendigerweise in eine Austrittsrichtung, in die das mit dem Matrixmaterial versehene Verstärkungsfaserelement aus der Vorrichtung bezie hungsweise aus dem Imprägnierungskanal austritt, verjüngen muss. Die Austrittsrichtung fällt beispielsweise mit der zu vor beschriebenen Bewegungsrichtung und/oder mit der Drehach- se zusammen beziehungsweise verläuft parallel zu der Drehach se .

Insbesondere während das Verstärkungsfaserelement durch den Imprägnierungskanal gefördert und/oder durch die Austritts öffnung hindurchgefördert und somit aus der Vorrichtung her ausgefördert wird, wird das Matrixmaterial, insbesondere durch wenigstens eine Öffnung in einem Lagerdeckel der Vor richtung, in den Matrixkanal beziehungsweise in das Gehäuse eingebracht. Der Matrixkanal ist ein freier Raum zwischen der sich drehenden, einfach auch als Schnecke bezeichneten För derschnecke und dem Gehäuse, insbesondere der zuvor genann ten, innenumfangsseitigen Mantelfläche des Gehäuses. Die in nenumfangsseitige Mantelfläche des Gehäuses wird auch als Mantelwand bezeichnet.

Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Matrixkanal bezie hungsweise die Mantelwand in dem weiteren Teilbereich, wel cher beispielsweise ein oberer Bereich ist, nicht beheizt wird, damit das Matrixmaterial möglichst hochviskos bleibt, insbesondere in dem weiteren Teilbereich. In dem zumindest einen Teilbereich jedoch, welcher ein unterer Teilbereich sein kann, wird die Mantelwand beziehungsweise der Matrixka nal beheizt, beispielsweise mithilfe wenigstens einer Heiz manschette. Hierdurch wird das Matrixmaterial erwärmt und insbesondere aufgeschmolzen . Durch die Wärmeleitung im gesam ten Reaktor wird auch das Verstärkungsfaserelement vorge heizt. Durch die sich drehende, konische Förderschnecke wird das Matrixmaterial, insbesondere in Düsenrichtung, verdich tet, entlüftet, geschmolzen, durchmischt und gefördert. Durch eine entsprechende Flankengeometrie von jeweiligen Stegflan ken der Förderschnecke und durch den kleiner werdenden Flan kenabstand baut sich insbesondere nach unten hin beziehungs weise in Richtung der Austrittsöffnung beziehungsweise in Richtung des jeweiligen Verbindungskanals ein hoher Druck des Matrixmaterials auf, wobei dieser Druck durch den kontinuier lichen Nachschub an Matrixmaterial quasi statisch aufrecht erhalten wird. Unter dem kontinuierlichen Nachschub an Mat- rixmaterial ist zu verstehen, dass zumindest im Wesentlichen kontinuierlich neues Matrixmaterial in das Gehäuse und somit in den Matrixkanal eingebracht wird.

Die einzige Möglichkeit für das Matrixmaterial, den mittels der Förderschnecke bewirkten Druck des Matrixmaterials abzu bauen, bietet sich durch die beispielsweise als Bohrungen ausgebildeten Verbindungskanäle, die in einem definierten Winkel helixartig auf dem auch als Faserkanal bezeichneten Imprägnierungskanal, welcher sich beispielsweise weitet, ste hen und entlang der gewünschten Strömungs- oder Fließrichtung angefast sind. Durch das beschriebene Erwärmen beziehungswei se Beheizen des zunächst festen oder hochviskosen Matrixmate rials wird aus dem zunächst festen oder flüssigen und dabei hochviskosen Matrixmaterial eine demgegenüber flüssigere be ziehungsweise niedrigviskose Matrixmaterialmasse, die, insbe sondere mittels des Drucks, durch die Verbindungskanäle in den Imprägnierungskanal gepresst wird und in der Folge unter Druck das Verstärkungsfaserelement imprägniert. Durch den ho hen Druck wird eine gute Imprägnierung und Tränkung des Ver stärkungsfaserelements, insbesondere von Einzelfasern bezie hungsweise Filamenten des Verstärkungsfaserelements, gewähr leistet. Der Druck des Matrixmaterials kann nicht über eine Matrixmaterialzufuhr, über welche das Matrixmaterial in das Gehäuse und insbesondere in den Matrixkanal eingebracht wurde beziehungsweise wird, abgebaut werden, da das Matrixmaterial in dem oberen Bereich des Reaktors aufgrund fehlender Wärme zufuhr aufgrund von fehlender Beheizung entsprechend hochvis kos, das heißt zähflüssig oder fest, ist. Letztendlich wird das imprägnierte Verstärkungsfaserelement, welches in seinem mit dem Matrixmaterial imprägnierten Zustand genau oder we nigstens eine imprägnierte Endlosfaser oder aber mehrere im prägnierte Endlosfasern umfassen kann, durch die Austritts öffnung extrudiert beziehungsweise aus der Vorrichtung ausge tragen. Vorzugsweise erstreckt sich die Austrittsöffnung ge radlinig beziehungsweise entlang einer Geraden, die bei spielsweise mit der Drehachse zusammenfällt oder parallel zur Drehachse verläuft. Nach dem Austragen des imprägnierten Verstärkungsfaserele ments aus der Vorrichtung kann beispielsweise gemäß Variante 1 ein Wasserbad dafür sorgen, dass das imprägnierte Verstär kungsfaserelement, welches ein neu erzeugtes Halbzeug dar stellt, gekühlt und anschließend aufgewickelt beziehungsweise aufgespult wird. Dann steht das imprägnierte Verstärkungsfa serelement als Halbzeug einem beliebigen, nachgelagerten Pro zess, insbesondere einem beliebigen, nachgelagerten Ferti gungsverfahren, zur Verfügung. Alternativ ist es möglich, das imprägnierte Verstärkungsfaserelement gemäß der zweiten Vari ante direkt zu dem Bauelement zu verarbeiten, ohne dass das imprägnierte Verstärkungsfaserelement nach dem Austragen aus der Vorrichtung aufgewickelt und/oder aktiv beziehungsweise gezielt gekühlt wird.

Die Austrittsöffnung erstreckt sich beispielsweise durch eine Komponente, welche separat von der Förderschnecke ausgebildet sowie separat von dem Gehäuse ausgebildet sein kann. Somit ist die Förderschnecke um die Drehachse relativ zu der Kompo nente drehbar. Dabei ist beispielsweise eine Labyrinthdich tung vorgesehen, mittels welcher die Komponente gegen die Förderschnecke oder gegen das Gehäuse abgedichtet ist. Diese Labyrinthdichtung sorgt für eine hinreichende Dichtigkeit des gesamten Reaktors.

Wie zuvor erwähnt, lässt sich durch die erfindungsgemäße Vor richtung eine In-situ-Imprägnierung und Extrusion realisie ren. Durch diese In-situ-Imprägnierung und Extrusion werden zwei Prozesse zu einem zusammengefasst und insgesamt verbes sert. Anschlussmaße der Vorrichtung belaufen sich beispiels weise auf 170 mm * 115 mm, was den kompakten Direkteinbau der Vorrichtung in eine CNC-Maschine möglich macht. Dadurch kön nen auch besonders komplexe Geometrien des Bauelements auf einfache und kostengünstige Weise gewährleistet werden.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere in der Kombina tion von verschiedenen Verfahren und Elementen auf Basis etablierter Prozesse wie der Faserverbundtechnik, des Kunst stoffspritzgießens und der additiven Fertigung, wodurch sich die Möglichkeit eröffnet, einen neuen Fertigungsprozess für Endlosfaserverbunde zu schaffen, der sich durch einen einzel nen Schritt vom Rohstoff bis zum fertigen Bauteil auszeich net. Die Erfindung ermöglicht es, sowohl das Halbzeug im Pro zess selbst herzustellen als auch das soeben hergestellte Halbzeug in Form des imprägnierten Faserelements direkt zu dem Bauelement zu formen beziehungsweise zu verarbeiten. Die Zusammenfassung beider Prozessschritte (Imprägnierung und Extrusion) zu einem und die Verwendung von handelsüblichen Rohstoffen insbesondere im Hinblick auf herkömmliche Rovings und Matrixmaterialien ermöglichen überhaupt erst einen direk ten Fertigungsprozess und machen damit den bisherigen Prozess kürzer und stabiler, kostengünstiger, transparenter und leis tungsfähiger .

Durch die Erfindung wird es überhaupt erst möglich, endlosfa serverstärkte Bauelemente in einem einzigen Prozessschritt herzustellen. Durch den früheren Einstieg in die Wertschöp fungskette ist die Wertschöpfung durch die eigentliche Erfin dung entsprechend tief. Durch die Parallelisierung der Halb zeugherstellung im oberen Bereich der Förderschnecke insbe sondere im Hinblick auf die Imprägnierung und der gleichzei tigen Extrusion des soeben hergestellten Halbzeugs werden nicht nur separate Maschinen und Produktionslinien einge spart, sondern es ergibt sich neben der transparenten Quali tätskontrolle auch eine enorme Zeit- und damit Kostenerspar nis. Dadurch, dass durch die Parallelisierung der Prozesse sowohl Zeit eingespart wird als auch die Wertschöpfung an sich tiefergehend ist, steigert sich die Leistung des Gesamt prozesses um ein Vielfaches.

Insbesondere ergeben sich technische Vorteile durch die Zu sammenfassung von Halbzeug- und Bauelementherstellung in ei nem einzigen, additiven Fertigungsprozess mittels der erfin dungsgemäßen Vorrichtung. Die Rohstoffe für diesen Direktpro zess, das heißt das Faserelement und das Matrixmaterial, kön nen Standardwerkstoffe sein, die in industriellen Mengen ge- handelt werden und dementsprechend preislich wettbewerbsfähig sind. Hierzu zählt insbesondere die Temperaturführung durch die Heizeinrichtung, welche mehrere Heizelemente umfassen kann. Die Heizeinrichtung, insbesondere die Heizelemente, kann beziehungsweise können dem Matrixmaterial an zumindest nahezu jeder Stelle des Reaktors eine gewünschte Temperatur und somit Viskosität geben und nebenbei das beispielsweise als Roving, das heißt als Faserbündel ausgebildete Faserele ment, vorheizen, damit jeweilige Temperaturen bei einer Zu sammenführung des Faserelements und des Matrixmaterials, das heißt bei der Imprägnierung, zumindest nahezu annähernd gleich sind.

Besonders vorteilhaft sind die antreibbare beziehungsweise angetriebene und somit relativ zu dem Gehäuse drehbare bezie hungsweise sich drehende und einfach auch als Schnecke be- zeichnete Förderschnecke und ihre Geometrie. Durch den koni schen Verlauf, den sinkenden beziehungsweise abnehmenden Flankenabstand und die helixartig, insbesondere um den Im prägnierungskanal, angeordneten, in Fließrichtung angefasten Verbindungskanäle kann ein entsprechender Druck des Matrixma terials erhöht beziehungsweise aufgebaut werden, wobei dieser Druck für die Imprägnierung des Faserelements maßgeblich und vorteilhaft ist. Der Einführtrichter ermöglicht einen koni schen Fasereinzug und ist hierfür entsprechend geformt und vorzugsweise beschichtet, damit das Faserelement problemlos in die Vorrichtung eingezogen werden kann.

Die Austrittsöffnung ist beispielsweise ein zumindest im We sentlichen gerader Kanal, insbesondere Düsenkanal, welcher sich beispielsweise direkt beziehungsweise unmittelbar an den Imprägnierungskanal anschließt. Dabei weisen vorzugsweise der Imprägnierungskanal und der Düsenkanal den gleichen, von dem Faserelement durchströmbaren Querschnitt auf. Vorzugsweise ist der Imprägnierungskanal geradlinig ausgebildet. Der gera de Düsenkanal verhindert, dass sich das Faserelement an einem Übergang von dem Imprägnierungskanal in den Düsenkanal zwi schen dem Förderelement und der Komponente aufbauschen kann. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versehen wenigstens eines wenigstens ein Filament aufweisen den Faserelements mit einem Matrixmaterial. Bei einem ersten Schritt des Verfahrens wird das Matrixmaterial in ein Gehäuse einer Vorrichtung eingebracht, wobei in dem Gehäuse eine För derschnecke der Vorrichtung zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, angeordnet ist. Die Förderschnecke ist zumindest in einem in dem Gehäuse angeord neten Längenbereich konisch und um eine Drehachse relativ zu dem Gehäuse drehbar. Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird die Förderschnecke um die Drehachse relativ zu dem Ge häuse gedreht, wodurch das in das Gehäuse eingebrachte Mat rixmaterial in einer Förderrichtung durch wenigstens einen, durch die Förderschnecke und durch das Gehäuse begrenzten Matrixkanal hindurchgefördert wird. Außerdem wird durch das Drehen der Förderschnecke das Matrixmaterial in dem Matrixka nal mit einem Druck beaufschlagt. Dies bedeutet, dass mittels der Förderschnecke dadurch, dass die Förderschnecke gedreht wird, ein Druck des Matrixmaterials bewirkt, das heißt dass das Matrixmaterial mit einem Druck beaufschlagt wird.

Bei einem dritten Schritt des Verfahrens wird das Faserele ment durch wenigstens einen innerhalb der Förderschnecke ver laufenden Imprägnierungskanal gefördert, wobei das Matrixma terial über wenigstens einen innerhalb der Förderschnecke verlaufenden Verbindungskanal aus dem Matrixkanal in den Im prägnierungskanal geführt wird. Dies bedeutet, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das Matrixmaterial über den Verbindungskanal aus dem Matrixkanal in den Imprägnierungska nal aufgrund des bewirkten Drucks strömt. Hierdurch wird das Faserelement in dem Imprägnierungskanal mit dem Matrixmateri al versehen, insbesondere imprägniert. Vorteile und vorteil hafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten As pekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. Um beispielsweise aus dem imprägnierten Faserelement beson ders vorteilhaft ein Halbzeug hersteilen zu können, welches beispielsweise in einem nachgelagerten, separaten generativen Fertigungsverfahren weiterverarbeitet werden kann, ist es bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das mit dem Matrixmaterial versehene oder dadurch im prägnierte Faserelement aus der Vorrichtung herausgeführt und, insbesondere in einem Wasserbad, abgekühlt, insbesondere abgeschreckt, wird. Hierdurch härtet beispielsweise das un mittelbar nach dem Herausführen des Faserelements aus der Vorrichtung noch flüssige beziehungsweise pastöse Matrixmate rial aus, sodass das imprägnierte Faserelement beispielsweise eigensteif beziehungsweise formstabil ist beziehungsweise wird .

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das mit dem Matrixmaterial versehene Faserelement nach dem Herausführen, insbesondere nach dem Abschrecken, aufgewickelt beziehungsweise aufgespult wird. Dadurch bildet das impräg nierte Faserelement ein Halbzeug, welches vorteilhaft gehand- habt und gelagert werden kann.

Um jedoch wenigstens ein Bauelement auf besonders zeit- und kostengünstige Weise additiv fertigen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das mit dem Matrixmaterial versehene Faserelement aus der Vorrichtung herausgeführt und unmittelbar danach, das heißt ohne weitere Verarbeitungsschritte und während es herausgeführt wird, auf ein Substrat derart aufgebracht wird, dass jeweilige Schich ten aus dem mit dem Matrixmaterial versehenen Faserelement hergestellt und aufeinander angeordnet werden, um dadurch das genannte Bauteil additiv, das heißt durch ein generatives Fertigungsverfahren, herzustellen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzug ten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vor stehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals- kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschrei bung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der je weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi nationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt in:

FIG 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsge mäßen Vorrichtung zum Versehen zumindest eines Fa serelements mit einem Matrixmaterial;

FIG 2 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht einer Förderschnecke der Vorrichtung;

FIG 3 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der Förderschnecke; und

FIG 4 ausschnittsweise eine schematische und perspektivi sche Schnittansicht der Vorrichtung.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

FIG 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Vor richtung 10 zum Versehen zumindest eines in FIG besonders schematisch dargestellten und als Verstärkungsfaserelement 12 ausgebildeten Faserelements mit einem in FIG 1 besonders schematisch dargestellten Matrixmaterial 14.

Das Verstärkungsfaserelement 12 an sich kann genau ein Fila ment 16 aufweisen und ist somit an sich als Filament, insbe sondere als Monofilament, ausgebildet. Alternativ ist es denkbar, dass das Verstärkungsfaserelement 12 wenigstens oder genau ein auch als Roving bezeichnetes Faserbündel umfasst, welches wiederum mehrere Filamente aufweist. Das jeweilige Filament beziehungsweise das Verstärkungsfaserelement 12 ist vorzugsweise als eine Endlosfaser ausgebildet, sodass sich mittels des Verstärkungsfaserelements 12 eine Endlosfaserver stärkung realisieren lässt. Im Rahmen des Versehens des Ver stärkungsfaserelements 12 mit dem Matrixmaterial 14 wird das Verstärkungsfaserelement 12 in das Matrixmaterial 14 und so mit in eine durch das Matrixmaterial 14 gebildete Matrix ein gebettet, wodurch beispielsweise ein faserverstärkter Kunst stoff gebildet werden kann.

Die auch als Reaktor bezeichnete Vorrichtung 10 weist ein Ge häuse 18 auf, welches vorzugsweise einstückig ausgebildet ist. In das Gehäuse 18 ist das Matrixmaterial 14 einbringbar. Im Rahmen eines Verfahrens zum Versehen des Verstärkungsfa serelements 12 mit dem Matrixmaterial 14 wird das Matrixmate rial 14, insbesondere in festem Zustand, in das Gehäuse 18 eingebracht. Hierzu ist ein auch als Lagerdeckel bezeichne- ter Deckel 20 vorgesehen, wobei das Gehäuse 18 und der Deckel 20 als separat voneinander ausgebildete und miteinander ver bundene Komponenten ausgebildet sein können. Das Gehäuse 18 und der Deckel 20 begrenzen jeweils teilweise einen Aufnahme raum 22, in welchen das Matrixmaterial 14, insbesondere in festem Zustand, eingebracht wird. Hierzu weist der Deckel 20 wenigstens oder genau eine Durchgangsöffnung 24 auf, über welche das Matrixmaterial 14, insbesondere in zunächst festem Zustand, in den Aufnahmeraum 22 eingebracht, insbesondere eingefördert, wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Matrixmaterial 14 als granuläre Materie, das heißt als Granu lat, in das Gehäuse 18 eingebracht wird.

Die Vorrichtung 10 umfasst darüber hinaus eine einfach auch als Schnecke bezeichnete Förderschnecke 26, welche bei dem in FIG 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel überwiegend in dem Gehäuse 18 und dabei in dem Aufnahmeraum 22 angeordnet ist. Die Förderschnecke 26 weist dabei einen in dem Gehäuse 18 angeordneten Längenbereich L auf, wobei der gesamte, in dem Gehäuse 18 angeordnete Längenbereich L konisch verläuft. Die Vorrichtung 10 weist dabei eine auch als Düse bezeichnete Austrittsöffnung 28 auf, über welche das mit dem Matrixmate- rial 14 versehene Verstärkungsfaserelement 12 aus der Vor richtung 10 herausführbar ist beziehungsweise herausgeführt wird. Dabei verläuft der Längenbereich L in Richtung der Aus trittsöffnung 28 derart konisch, dass sich der Längenbereich L beziehungsweise die Förderschnecke 26 in Richtung der Aus trittsöffnung 28 konisch erweitert und in eine entgegenge setzte Richtung, das heißt in Richtung des Deckels 20, ko nisch verjüngt.

Die Förderschnecke 26 ist um eine Drehachse 30 relativ zu dem Gehäuse 18 und relativ zu dem Deckel 20 drehbar, wobei die Förderschnecke 26 im Rahmen des Verfahrens um die Drehachse 30 relativ zu dem Gehäuse 18 und relativ zu dem Deckel 20 ge dreht wird. Dabei wird der Deckel 20 als Lagerdeckel genutzt, an welchem die Förderschnecke 26 drehbar gelagert ist.

Dadurch ist die Förderschnecke 26 unter Vermittlung des De ckels 20 drehbar an dem Gehäuse 18 gelagert. Zur Lagerung der Förderschnecke 26 sind beispielsweise Lagerelemente 32 und 34 vorgesehen. Über das Lagerelement 32 ist die Förderschnecke 26 beispielsweise in ihrer axialen Richtung an dem Deckel 20 gelagert. Über das Lagerelement 34 ist beispielsweise die Förderschnecke 26 in ihrer radialen Richtung an dem Deckel 20 gelagert .

Außerdem ist die Förderschnecke 26 durch eine Durchgangsöff nung 36 des Deckels 20 hindurchgeführt und dadurch aus dem Aufnahmeraum 22 an eine Umgebung 38 der Vorrichtung 10 ge führt, wobei das mit dem Matrixmaterial 14 versehene Verstär kungsfaserelement 12 über die Austrittsöffnung 28 an die Um gebung 38 herausgeführt werden kann. Zum Abdichten der Durch gangsöffnung 36 ist die Förderschnecke 26 gegen den Deckel 20 abgedichtet .

In der Umgebung 38 ist die Förderschnecke 26 zumindest dreh fest mit einem Zahnrad 40 verbunden. Wird das Zahnrad 40 an getrieben und dadurch um die Drehachse 30 relativ zu dem Ge häuse 18 gedreht, so wird dadurch die Förderschnecke 26 um die Drehachse 30 relativ zu dem Gehäuse 18 gedreht. Dies be- deutet, dass beispielsweise das Zahnrad 40 von einem in FIG nicht dargestellten, insbesondere elektrischen, Antrieb an- treibbar und dadurch um die Drehachse 30 relativ zu dem Ge häuse 18 drehbar ist. Hierdurch ist die Förderschnecke 26 um die Drehachse 30 relativ zu dem Gehäuse 18 drehbar. Um bei spielsweise unerwünschte, in axialer Richtung der Förder schnecke 26 verlaufende Relativbewegungen zwischen dem Zahn rad 40 und der Förderschnecke 26 zu vermeiden, ist eine auf die Förderschnecke 26 aufgeschraubte Sicherungsmutter 42 vor gesehen. Mittels der Sicherungsmutter 42 ist das Zahnrad 40 entlang seiner axialen Richtung und in axialer Richtung der Förderschnecke 26 relativ zu der Förderschnecke 26 bezie hungsweise an der Förderschnecke 26 gesichert.

Mittels der Förderschnecke 26 ist durch Drehen der Förder schnecke 26 das in das Gehäuse 18 beziehungsweise in den Auf nahmeraum 22 eingebrachte Matrixmaterial 14 in eine in FIG 1 durch einen Pfeil 44 veranschaulichte Förderrichtung zu för dern und dadurch mit einem Druck beaufschlagbar. Dies bedeu tet, dass das in den Aufnahmeraum 22 eingebrachte Matrixmate rial 14 mittels der Förderschnecke 26 gefördert und mit einem Druck beaufschlagt wird, indem die Förderschnecke 26 gedreht wird. Unter dem Merkmal, dass das Matrixmaterial 14 mit dem genannten Druck beaufschlagt wird, ist zu verstehen, dass mittels der Förderschnecke 26 ein Druck des Matrixmaterials 14 in dem Gehäuse 18 bewirkt wird. Dabei weist die Vorrich tung 10 wenigstens oder genau einen, teilweise durch die För derschnecke 26 und teilweise durch das Gehäuse 18 begrenzten Matrixkanal 46 auf, welcher beispielsweise ein zwischen Ste gen 48 der Förderschnecke 26 verlaufender und durch die Stege 48 gebildeter beziehungsweise begrenzter Schneckengang der Förderschnecke 26 ist. In radialer Richtung der Förderschne cke 26 nach innen wird der Matrixkanal 46 durch einen auch als Kern bezeichneten Schneckenkern 50 der Förderschnecke 26, insbesondere durch eine außenumfangsseitige Mantelfläche 52 des Schneckenkerns 50, begrenzt. In radialer Richtung der Förderschnecke 26 nach außen wird der Matrixkanal 46 durch das Gehäuse 18, insbesondere durch eine innenumfangsseitige, der Förderschnecke 26 zugewandte Mantelfläche 54 des Gehäuses 18, begrenzt. Beispielsweise in axialer Richtung der Förder schnecke 26 wird der Matrixkanal 46 durch jeweilige, in axia ler Richtung der Förderschnecke 26 einander zugewandte und auch als Schneckenflanken bezeichnete Flanken 56 der Förder schnecke 26, insbesondere von jeweiligen Stegen 48 der För derschnecke 26, begrenzt.

Der beispielsweise als Schneckengang der Förderschnecke 26 ausgebildete Matrixkanal 46 erstreckt beziehungsweise windet sich beispielsweise helixartig, das heißt nach Art einer He lix, um den Schneckenkern 50, insbesondere um die außenum fangsseitige Mantelfläche 52. Auf diese Weise wird durch Dre hen der Förderschnecke 26 das Matrixmaterial 14, welches dadurch, dass es in den Aufnahmeraum 22 eingebracht wird, in den Matrixkanal 46 eingebracht wird, entlang des Matrixkanals 46 und dabei in die Förderrichtung gefördert. Auf diese Weise wird das Matrixmaterial 14 in Richtung der Austrittsöffnung 28 (Düse) gefördert. Die konische Förderschnecke 26 ist somit beispielsweise zur Verdichtung, zum Druckaufbau, zur Auf schmelzung und zur Förderung des zunächst festen Matrixmate rials 14 ausgebildet. Durch das Aufschmelzen des zunächst festen Matrixmaterials 14 wird das zunächst feste Matrixmate rial 14 flüssig beziehungsweise pastös, sodass das zunächst feste und beispielsweise in Form von granulärer Materie vor liegende Matrixmaterial 14 auf seinem Weg durch den Matrixka nal 46 geschmolzen und dadurch pastös beziehungsweise flüssig und in der Folge zu einer Schmelze oder zu einer pastösen be ziehungsweise flüssigen Matrixmasse wird.

Die Vorrichtung 10 weist darüber hinaus wenigstens oder genau einen innerhalb der Förderschnecke 26 verlaufenden Imprägnie rungskanal 58 auf, durch welchen das Verstärkungsfaserelement 12, insbesondere in eine mit der Drehachse 30 zusammenfallen de und in FIG 1 durch einen Pfeil 60 veranschaulichte Bewe gungsrichtung, hindurchförderbar ist beziehungsweise hin durchgefördert wird. Der Imprägnierungskanal 58 an sich weist vorzugsweise eine zumindest im Wesentlichen geradlinige und entlang der Drehachse 30 verlaufende Erstreckung auf. Außer dem weist der Imprägnierungskanal 58 an sich beispielsweise über seine gesamte Erstreckung einen zumindest im Wesentli chen konstanten Querschnitt auf, durch welchen das Verstär kungsfaserelement 12 hindurchgefördert wird.

Entlang der Bewegungsrichtung geht dem Imprägnierungskanal 58 ein so genannter Faserkanal 62 vorweg, welcher mit dem Im prägnierungskanal 58 verbunden ist. Dies bedeutet, dass das Verstärkungsfaserelement 12 zunächst durch den Faserkanal 62 hindurchgefördert und dann von dem Faserkanal 62 in den Im prägnierungskanal 58 gefördert wird. Auch der Faserkanal 62 weist eine entlang der Drehachse 30 verlaufende, geradlinige Erstreckung auf. Der zuvor beschriebene Querschnitt des Im prägnierungskanals 58 wird auch als erster Querschnitt be zeichnet. Dabei weist der Faserkanal 62 beispielsweise einen über seine vollständige Erstreckung zumindest im Wesentlichen konstanten zweiten Querschnitt auf, durch welchen das Ver stärkungsfaserelement 12 hindurchgefördert wird. Der zweite Querschnitt ist dabei geringer als der erste Querschnitt.

Außerdem weist die Vorrichtung 10 mehrere, innerhalb der För derschnecke 26 verlaufende Verbindungskanäle 64 auf, welche beispielsweise als Bohrungen ausgebildet sind. Über die Ver bindungskanäle 64 ist der Matrixkanal 46 mit dem Imprägnie rungskanal 58 fluidisch verbunden, sodass das Matrixmaterial 14, insbesondere in flüssigem beziehungsweise pastösem oder plastifiziertem Zustand, über die Verbindungskanäle 64 aus dem Matrixkanal 46 in den Imprägnierungskanal 58 strömen kann beziehungsweise strömt. Hierdurch wird das Verstärkungsfa serelement 12, insbesondere während es durch den Imprägnie rungskanal 58 entlang des Imprägnierungskanals 58 gefördert wird, mit dem flüssigen, pastösen beziehungsweise plastifi- zierten Matrixmaterial 14 versehen, das heißt imprägniert.

Das Matrixmaterial 14 wird beispielsweise durch das Auf schmelzen beziehungsweise Erwärmen plastifiziert . Aus FIG 1 ist besonders gut erkennbar, dass durch den koni schen Verlauf des Längenbereichs L eine in radialer Richtung der Förderschnecke 26 verlaufende Breite B des Matrixkanals 46 entlang der Förderrichtung beziehungsweise in die Förder richtung abnimmt. Hierdurch kann das Matrixmaterial 14 beson ders vorteilhaft verdichtet und somit auf einen besonders vorteilhaften und insbesondere hohen Druck gebracht werden.

Außerdem nimmt ein insbesondere in axialer Richtung der För derschnecke 26 verlaufender Abstand A zwischen den jeweili gen, in axialer Richtung der Förderschnecke 26 einander zuge wandten und auch als Stegflanken bezeichneten Flanken 56 der jeweiligen auch als Schneckenstege bezeichneten Stege 48 ent lang der Förderrichtung beziehungsweise in die Förderrichtung ab .

Des Weiteren ist besonders gut aus FIG 2 und 3 erkennbar, dass die Verbindungskanäle 64 helixartig, das heißt bei spielsweise entlang einer gedachten, sich um die außenum fangsseitige Mantelfläche 52 windenden Schraubenlinie ange ordnet sind. Hierbei liegen insbesondere jeweilige Mittel punkte der an sich beispielsweise geradlinig verlaufenden Verbindungskanäle 64 auf der genannten, gedachten Schrauben linie. Hierdurch kann das Matrixmaterial 14, insbesondere in flüssigem beziehungsweise pastösem oder plastifiziertem Zu stand, besonders vorteilhaft in den Imprägnierungskanal 58 eingeleitet werden, wodurch das Verstärkungsfaserelement 12 besonders gleichmäßig mit dem Matrixmaterial 14 versehen, insbesondere getränkt, werden kann.

Da das Matrixmaterial 14 beispielsweise zunächst fest oder hochviskos ist und auf seinem Weg durch den Matrixkanal 46 erwärmt und dadurch in einen pastösen oder flüssigen Zustand gebracht beziehungsweise niedrigviskos wird, wird der Matrix kanal 46 auch als Schmelzkanal oder Matrixschmelzkanal be zeichnet. Des Weiteren ist es vorgesehen, dass die Verbin dungskanäle 64 in Strömungsrichtung des die Verbindungskanäle durchströmenden Matrixmaterials 14 angefast sind. Dadurch kann das Matrixmaterial 14 besonders vorteilhaft in den Im prägnierungskanal 58 eingeleitet werden.

Darüber hinaus weist die Vorrichtung 10 einen innerhalb der Förderschnecke 26 angeordneten und mit dem Faserkanal 62 und über den Faserkanal 62 mit dem Imprägnierungskanal 58 verbun denen Einführtrichter 66 auf, welcher sich in Richtung des Imprägnierungskanals 58 beziehungsweise in die Bewegungsrich tung verjüngt. Das Verstärkungsfaserelement 12 wird dabei in den Einführtrichter 66 eingeführt und über den Einführtrich ter 66 in die Förderschnecke 26 insgesamt eingeführt. Hier durch sind der Faserkanal 62 und der Imprägnierungskanal 58 über den Einführtrichter 66 mit dem Verstärkungsfaserelement 12 versorgbar. Der Einführtrichter 66 ermöglicht einen koni schen Fasereinzug oder ist ein konischer Fasereinzug, sodass das Verstärkungsfaserelement 12 auf besonders einfache und präzise Weise in die Förderschnecke 26 insgesamt eingeführt werden kann. Vorzugsweise weist der Einführtrichter 66 eine in FIG 1 besonders schematisch dargestellte und reibungsmin dernde Beschichtung 68 auf, welche beispielsweise auf die Förderschnecke 26 beziehungsweise auf einen Grundkörper 70 der Förderschnecke 26 aufgebracht ist.

Des Weiteren ist es vorgesehen, dass einem ersten Teilbereich TI des Matrixkanals 46 eine, insbesondere elektrische, Heiz einrichtung 72 zugeordnet ist. Der erste Teilbereich TI ist in radialer Richtung der Förderschnecke 26 nach außen hin von einem ersten Teil T2 des Gehäuses 18 überdeckt, wobei der erste Teil T2 mit der Heizeinrichtung 72 versehen ist.

Dadurch können mittels der Heizeinrichtung 72 der Teilbereich TI und der Teil T2 aktiv beheizt und somit erwärmt werden, sodass das Matrixmaterial 14 auf seinem Weg durch den Matrix kanal 46 in dem Teilbereich TI aktiv beheizt und somit aufge schmolzen beziehungsweise plastifiziert werden kann.

Ein dem ersten Teilbereich TI entlang der Förderrichtung vor weggehender zweiter Teilbereich T3 des Matrixkanals 46 jedoch ist unbeheizt oder wird gekühlt, sodass im Rahmen des Verfah- rens eine aktive Beheizung des Teilbereichs T3 unterbleibt. Der zweite Teilbereich T3 ist in radialer Richtung der För derschnecke 26 nach außen hin durch einen zweiten Teil T4 des Gehäuses 18 überdeckt. Dabei ist der Teil T4 frei von einer Heizeinrichtung, sodass der Teilbereich T3 und der Teil T4 nicht aktiv beheizt werden können. Dadurch kann sicherge stellt werden, dass das sich in dem Matrixkanal 46 befindende Matrixmaterial 14 in dem Teilbereich TI flüssiger beziehungs weise weniger viskos als in dem oberen Teilbereich T3 ist. Hierdurch kann vermieden werden, dass das Matrixmaterial 14 den genannten Druck dadurch abbaut, dass das Matrixmaterial 14 durch die Durchgangsöffnung 24 und wieder zurück an die Umgebung 38 strömt. Das Matrixmaterial 14 kann dadurch den zuvor beschriebenen Druck nur dadurch abbauen, dass das Mat rixmaterial 14 in dem flüssigen Zustand durch die Verbin dungskanäle 64 strömt und in den Imprägnierungskanal 58 ein strömt .

Die Heizeinrichtung 72 ist beispielsweise als eine Heizman schette ausgebildet. Bei dem in FIG 1 veranschaulichten Aus führungsbeispiel ist die Heizeinrichtung 72 auf einer außen umfangsseitigen Mantelfläche 74 des Gehäuses 18 angeordnet, wobei die außenumfangsseitige Mantelfläche 74 in radialer Richtung der Förderschnecke 26 der innenumfangsseitigen Man telfläche 54 abgewandt ist.

Des Weiteren ist aus FIG 1 erkennbar, dass die beispielsweise als Austrittskanal ausgebildete und vorliegend geradlinig verlaufende Austrittsöffnung 28 in einer Komponente 76 ausge bildet ist, welche beispielsweise als ein Deckel ausgebildet ist. Dabei ist die Komponente 76 separat von der Förderschne cke 26 separat von dem Gehäuse 18 ausgebildet und mit dem Ge häuse 18 verbunden beziehungsweise an diesem gehalten. Wäh rend des Verfahrens dreht sich somit die Förderschnecke 26 um die Drehachse 30 relativ zu der Komponente 76. Dabei ist eine Labyrinthdichtung 78 vorgesehen, mittels welcher die Kompo nente 76 gegen die Förderschnecke 26 abgedichtet ist. Die La byrinthdichtung 78 ist beispielsweise in die Komponente 76 integriert. Dabei weist die Austrittsöffnung 28 einen dritten Querschnitt auf, welcher entlang der gesamten Erstreckung der Austrittsöffnung 28 konstant ist. Der Querschnitt ist von dem mit dem Matrixmaterial 14 versehenen Verstärkungsfaserelement 12 durchströmbar . Dabei entspricht vorzugsweise der dritte Querschnitt dem ersten Querschnitt.

Des Weiteren weist die Komponente 76 eine beispielsweise als Bohrung ausgebildete Aufnahme 80 auf, in welcher beispiels weise wenigstens eine Thermoelement anordenbar ist. Mittels des Thermoelements kann wenigstens eine Temperatur, insbeson dere der Förderschnecke 26, erfasst werden.

Aus FIG 2 ist besonders gut erkennbar, dass der Matrixkanal 46 als ein Schneckengang der Förderschnecke 26 ausgebildet ist, wobei der auch als Flankenabstand bezeichnete Abstand A in Förderrichtung abnimmt. Auch die beispielsweise als Gang tiefe bezeichnete Breite B des Schneckengangs beziehungsweise des Matrixkanals 46 nimmt entlang der Förderrichtung dadurch ab, dass die Förderschnecke 26 konisch verläuft. Außerdem ist besonders gut aus FIG 2 die helixartige Anordnung der Verbin dungskanäle 64 erkennbar. Dabei sind jeweilige Öffnungen 82 der Verbindungskanäle 64, die über die Öffnungen 82 in den Matrixkanal 46 münden und somit fluidisch mit dem Matrixkanal 46 verbunden sind, in dem Matrixkanal 46 und dabei entlang der gedachten Schraubenlinie angeordnet.

Aus FIG 3 ist besonders gut erkennbar, dass die Verbindungs kanäle 64 an sich geradlinig ausgebildet und in Strömungs richtung beziehungsweise in Fließrichtung angefast sind. Dies ist auch besonders gut aus FIG 4 erkennbar, welche die Vor richtung 10 ausschnittsweise in einer geschnittenen Perspek tivansicht zeigt. Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung

12 Verstärkungsfaserelement

14 Matrixmaterial

16 Filament

18 Gehäuse

20 Deckel

22 Aufnahmeraum

24 Durchgangsöffnung

26 Förderschnecke

28 Austrittsöffnung

30 Drehachse

32 Lagerelement

34 Lagerelement

36 Durchgangsöffnung

38 Umgebung

40 Zahnrad

42 Sicherungsmutter

44 Pfeil

46 Matrixkanal

48 Steg

50 Schneckenkern

52 außenumfangsseitige Mantelfläche

54 innenumfangsseitige Mantelfläche

56 Flanke

58 Imprägnierungskanal

60 Pfeil

62 Faserkanal

64 Verbindungskanal

66 Einführtrichter

68 Beschichtung

70 Grundkörper

72 Heizeinrichtung

74 außenumfangsseitige Mantelfläche

76 Komponente

78 Labyrinthdichtung

80 Aufnahme A Abstand

B Breite

L Längenbereich

TI Teilbereich T2 Teil

T3 Teilbereich T4 Teil