Verfahren und Vorrichtung zur Schmelzimprägnierung von Fasern mit thermoplastischer Matrix

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schmelzimprägnierung von Fasern mit thermoplastischer Matrix.

Es sind zahlreiche Verfahren zur Imprägnierung von Fasern mit thermoplastischer Matrix bekannt. Diese können in folgende Gruppen unterteilt werden:

• Pulverimprägnierung: Die aufgefächerten Fasern werden mit einem Pulver in Kontakt gebracht (z.B. durch ein Wirbelbett oder elektrostatische Dispersion). Anschließend werden die bepulverten Fasern durch eine Heizstrecke geführt und mittels nachgelagerter Abkühlwalzen zum Faser-Matrix-Halbzeug konsolidiert. Hauptproblem dieses Verfahrens ist es, dass die Korngröße des Pulvers in etwa dem Faserdurchmesser entsprechen muss (z.B. etwa 6 m bei Kohlenstofffasern), um eine gute Imprägnierung zu erzielen. Polymere in einer solchen Feinheit zu beschaffen ist meist mit hohen Kosten verbunden und teilweise technisch nicht möglich.

• Lösungsmittelimprägnierung: Die Imprägnierung erfolgt durch Herabsetzen der Polymerviskosität durch Lösungsmittel, die nach dem Imprägnierprozess wieder aus dem fertigen Halbzeug ausdiffundieren. Dieses Verfahren funktioniert lediglich für Thermoplaste, wie PC, PSU, PES oder PEI.

• Folienimprägnierung: Es werden Fasern und Folien aus Kunststoff unter Temperatur und Druck miteinander verpresst. Dabei kann der Faservolumengehalt durch Variation der Anzahl und Dicke der Folien eingestellt werden. Das Verfahren ermöglicht eine Imprägnierung von Fasern mit sehr hoher Qualität. Jedoch ist nicht jeder Kunststoff als Folie in beliebiger Dicke am Markt verfügbar oder herstellbar, so dass dieses Verfahren Einschränkungen bezüglich der Anwendbarkeit aufweist.

• Hybridfasertechnik: Die Verstärkungsfasern werden zusammen mit Kunststofffasern in einem Mischroving versponnen (auch als Mischgarn oder commingled yarn bezeichnet). Beim Verarbeiten des Rovings wird die Kunststoffaser aufgeschmolzen und sorgt somit für die Imprägnierung der Verstärkungsfasern. Auch hier ist es ähnlich wie bei der Folienimprägnierung notwendig, dass die Kunststoffasern in etwa den gleichen Durchmesser wie die Verstärkungsfasern haben, da ansonsten keine vollständige Imprägnierung möglich ist. • Schmelzimprägnierung: Die Rovings werden von einem Spulenhalter gezogen, gespreizt und anschließend mit einer schmelzflüssigen Matrix imprägniert. Es gibt eine Vielzahl an konstruktiven Lösungen, um die thermoplastische Matrix zu verflüssigen und letztlich den trockenen Fasern zuzuführen. Dabei sind die wichtigsten Verfahrensparameter zur Herstellung hochqualitativer Faser-Matrix- Halbzeuge die Viskosität der Schmelze und der wirkende Imprägnierdruck. Um diese Funktionalität zu gewährleisten, sind meist sehr große Anlagen mit dementsprechender Peripherie notwendig, wodurch die Dimension der gesamten Anlage steigt. Daraus resultierend können derzeitige Anlagen zur Imprägnierung von Fasern mit Thermoplasten nur bedingt mit anderen Maschinen (z.B.

Fertigungsanlagen zur Bauteilherstellung) kombiniert werden, was deren Anwendungsgebiet einschränkt.

Alle diese bekannten Lösungen der Schmelzimprägnierung weisen die folgenden Nachteile auf:

• Prozessregelung: Der Imprägnierprozess von Fasern wird mit steigender Matrixviskosität komplexer. Dabei ist eine punktgenaue Temperatur- und Druckregelung über die Imprägnierstrecke entscheidend. In bestehenden Anlagen ist es nicht möglich, die Temperatur- und Druckverhältnisse über die Imprägnierstrecke feinschichtig zu regeln, wodurch die Qualität des Endprodukts (imprägniertes Faserhalbzeug, auch Tape genannt) negativ beeinflusst wird.

• Verschnitt: Die bekannten Verfahren bringen in der Regel einen prozessbedingten Verschnitt mit sich, da die Imprägnierung nicht konstant über die Bandbreite möglich ist. Dabei wird ein Faserhalbzeug großflächig in einem kontinuierlichen Prozess imprägniert. Randbereiche mit unterschiedlichen Kavitätsbedingungen und damit Imprägnierqualitäten werden in der Regel im Nachgang abgeschnitten.

• Bauweise: Herkömmliche Anlagen erlauben keine kompakte Bauweise und damit nur eine bedingte Integration der Technik in bestehende Automatisierungsanlagen (z.B. als Aufsatz für einen Industrieroboter).

• Wartung der Anlage: Ein Säubern der bekannten Anlagen ist meist mit großem Aufwand verbunden. Bei einer Schmelzbadimprägnierung muss beispielsweise die gesamte Anlage aufwendig zerlegt und gereinigt werden. Eine Reinigung über den laufenden Prozess (beispielsweise über ein Reinigungsgranulat) ist hier nicht möglich.

Aus A. Lutz und T. Harmia, „Impregnation techniques for fiber bundles or tows“, Polypropylene, Bd. 2, J. Karger-Kocsis, Hrsg. Dordrecht: Springer Netherlands, 1999, S. 301-306. Doi: 10.1007/978-94-011-4421 -6_43 ist eine Anlage zur Schmelzimprägnierung bekannt, bei der die Fasern wechselseitig über zwei Imprägnierwerkzeuge geführt werden, die aus einem Metallschaum bestehen, der durch seine Porenstruktur durchlässig für flüssigen Kunststoff ist. Mithilfe eines Extruders wird im laufenden Prozess flüssiger Kunststoff in den Kern des Metallschaums eingespritzt und in Richtung der Oberfläche des Metallschaums transportiert. Durch den Kontakt der trockenen Fasern mit dem kunststoffbenetzten Metallschaum findet die Imprägnierung statt. Dieses Verfahren hat vielversprechende Ergebnisse in der Praxis gezeigt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um trockene Fasern mit hochviskoser, thermoplastischer Matrix zu tränken.

Diese Aufgabe wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Fasern unter Aufbringung eines Kontaktdrucks über ein gebogenes, perforiertes Metallblech als Imprägnierstrecke geführt werden, wobei die hochviskose, thermoplastische Kunststoff matrix durch die Perforationen des Metallblechs durchtritt, um anschließend die Fasern zu imprägnieren.

Als in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Fasern kommen alle zur Materialverstärkung geeigneten organischen oder anorganischen Fasern in Frage, beispielsweise Kohlenstoff-, Glas- oder Polyamidfasern.

Das perforierte Metallblech ist nicht eben, sondern in einer gebogenen Form in die Imprägniereinheit integriert. Durch das Umlenken der Fasern um das perforierte, gebogene Metallblech kann der notwendige Kontaktdruck zwischen den Fasern und der Kunststoffzuführung erzeugt werden. Die Fasen können als Faserbündel oder als Einzelfaser vorliegen und bewegen sich unter Längszugbeanspruchung über das Metallblech. Dabei entsteht eine sinusförmige Kontaktdruckverteilung zwischen den Fasern und dem Metallblech. Die hochviskose, thermoplastische Matrix tritt durch die Perforationen aus und umhüllt die Fasern gleichmäßig.

Die Vorteile der Erfindungen sind die Folgenden:

• Die Werkstoff- und Herstellungskosten sind sehr gering (beispielsweise kann die Perforierung des Metallblechs durch Laserbohren erzeugt werden).

• Stahlbleche lassen sich günstig in sehr guter Qualität beschaffen, so dass diese der abrasiven Wirkung der Fasern lange standhalten. Zusätzlich kann eine Randschichthärtung vorgenommen werden, um die Standzeit des Metallblechs zu verlängern. • Die Oberflächenrauhigkeit des Metallblechs kann den jeweiligen Fasern und Prozessparametern angepasst werden, um die Fasern zu schonen.

• Die Perforationsgeometrie kann flexibel an die jeweilige Faser-Matrix-Kombination in Abhängigkeit von der Matrixviskosität abgestimmt werden, beispielsweise mithilfe einer numerischen Strömungssimulation.

• Das gebogene Metallblech benötigt nur einen geringen Bauraum und ermöglicht somit eine kompakte Bauweise der Vorrichtung.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Perforationsmuster des Metallblechs durch numerische Fluidsimulation bestimmt wird.

Durch die Abstimmung der Lochgröße, der Lochform und der Anordnung der Perforationen über die Breite des Metallblechs in Abhängigkeit vom Kontaktdruck kann ein gezieltes Druckverhältnis bei der Imprägnierung der Fasern eingestellt werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, dass ein gebogenes, perforiertes Metallblech als Imprägnierstrecke vorgesehen ist, über das die Fasern unter Aufbringung eines Kontaktdrucks führbar sind, wobei die hochviskose, thermoplastische Kunststoff matrix durch die Perforationen des Metallblechs führbar ist, um anschließend die Fasern zu imprägnieren.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind statt einem zwei oder mehrere Metallbleche vorgesehen. Diese können entweder nebeneinander oder in gestapelter Form angeordnet sein.

Hierdurch können Öffnungskonturen für den Kunststoffaustritt realisiert werden, die ansonsten fertigungstechnisch nicht oder nur mit sehr großem Aufwand umsetzbar sind.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metallbleche aus dem gleichen Werkstoff oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und/oder unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen und/oder unterschiedliche Wanddicken aufweisen.

Es kann sich sowohl um Metallbleche aus dem gleichen Werkstoff als auch um Metallbleche unterschiedlicher Werkstoffe handeln. Durch die Verwendung von Metallblechen mit Werkstoffen unterschiedlicher Steifigkeit kann beispielsweise eine Dichtwirkung in den Kontaktflächen zum Imprägnierwerkzeug erzeugt werden. Die Metallbleche können zudem unterschiedliche Wanddicken aufweisen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine seitliche Begrenzung der Imprägnierstrecke vorgesehen ist. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass zur Abdichtung des Metallblechs gegenüber dem Werkzeug eine Gelenkbolzenschelle vorgesehen ist, die das Metallblech gegen ein Trägerwerkzeug mit gebogener Form drückt.

Hierdurch wird sichergestellt, dass radial kein Kunststoff austreten kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Gelenkbolzenschelle mittig ausgefräst ist.

Damit stellt die Gelenkbolzenschelle gleichzeitig eine seitliche Abgrenzung der Imprägnierstrecke dar. Somit lässt sich eine Funktionsintegration aus der Halterung des Blechhalterung und Begrenzung der Imprägnierstrecke in einem Bauteil erzielen.

Aus dem Werkzeugbau der Spritzgusstechnik ist es bekannt, dass die Abdichtung von Polymerkanälen insbesondere bei hohem Betriebsdruck problematisch ist. Die vorliegende Konstruktion löst das Problem, indem auf jede Kontaktfläche der Imprägniervorrichtung, durch die der Kunststoff austreten könnte, eine Vorspannkraft senkrecht zu dieser wirkt. Zudem ist die Imprägniervorrichtung schnell zerlegbar und gut zu reinigen. Es fällt kein Verschnitt an, da die Imprägnierung über die gesamte Breite der Imprägnierstrecke möglich ist. Damit ist eine gleichzeitige Breitenkalibrierung des Erzeugnisses möglich. Je nach Spreizvermögen der zu verarbeitenden Rovings ist die Breite der Imprägnierstrecke einstellbar. Somit wird eine neuartige, kostengünstige Vorrichtung zur Herstellung von Faser- Thermoplast-Halbzeugen mit einstellbaren Parametern geschaffen.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Trägerwerkzeug zweiteilig ausgeführt ist.

Dieses Trägerwerkzeug dient neben der Aufnahme des perforierten Metallblechs auch der Zuführung der hochviskosen, thermoplastischen Matrix.

Vorteilhaft weist hierfür das T rägerwerkzeug eine Matrixzufuhr und einen damit verbundenen Verteilungskanal auf, auf dem das gebogene Metallblech angeordnet ist.

Vorzugsweise ist am Ende der Imprägnierstrecke eine Abzugseinheit angeordnet, die der Dickenkalibrierung des Faser-Matrix-Verbundes dient. Die Dicke des Faser-Matrix- Verbundes ist somit variabel einstellbar. Diese Abzugseinheit erzeugt eine Umwälzung der Matrix vor dem Verlassen der Imprägnierstrecke, wodurch zusätzlich die Imprägnierleistung und die Qualität der Oberfläche erhöht wird.

In Kombination mit der zuvor genannten, seitlichen Begrenzung der Imprägnierstrecke kann eine geschlossene Kavität erzeugt werden. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Imprägniervorgangs,

Fig. 2 die Herstellung und Funktionsweise des gebogenen Metallblechs,

Fig. 3 eine Schnittansicht (XY-Ebene) der Imprägniervorrichtung,

Fig. 4 eine Schnittansicht (ISO-Ansicht) der Imprägniervorrichtung,

Fig. 5 eine Schnittansicht (YZ-Ebene) der Imprägniervorrichtung,

Fig. 6 eine Schnittansicht (XY-Ebene) der Imprägniervorrichtung gemäß Figur 3 mit einer Abzugseinheit.

Fig. 1a zeigt eine schematische Darstellung des Imprägniervorgangs. Die trockenen Fasern 1 bewegen sich in Richtung der Bildebene (x-Richtung) kontinuierlich auf dem (hier zur Vereinfachung eben dargestellten) Metallblech 2 weiter, während durch die Perforationen 3 des Metallblechs 2 hochviskose, thermoplastische Kunststoffmatrix durchtritt, mit der die Fasern 1 imprägniert werden.

Die dargestellte Perforierung entspricht dabei nicht den realen Größenverhältnissen. Der Durchmesser der einzelnen Perforationen beträgt- je nach Viskosität der Kunststoffmatrix - zwischen 10 und 500 pm, vorzugsweise zwischen 15 und 300 pm und besonders bevorzugt zwischen 20 und 150 pm.

Es können statt einem Metallblech 2 auch zwei oder mehrere Metallbleche 2 übereinandergeschichtet werden. Hierdurch können Öffnungskonturen für den Kunststoffaustritt realisiert werden, die ansonsten fertigungstechnisch nicht umsetzbar sind.

Fig. 2 zeigt die Herstellung und Funktionsweise des gebogenen Metallblechs 2. Zunächst (Fig. 2a) wird ein ebenes perforiertes Metallblech 2 hergestellt, wobei das Perforationsmuster auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden kann.

Die Öffnungskonturen im Metallblech können sowohl kreisrundsein als auch eine rechteckige oder beliebige Polygonkontur und - entsprechend der sinusförmigen Kontaktdruckverteilung - unterschiedliche Dimensionen und Anordnungen auf dem Metallblech aufweisen (Fig. 2b).

Die Steuerung des Imprägnierdrucks erfolgt durch das Perforationsmuster, das vorzugsweise durch numerische Fluidsimulation bestimmt wird. Anschließend wird das Metallblech 2 kreissegmentförmig gebogen (Fig. 2c), beispielsweise durch Rollbiegen. Fig. 2d zeigt schematisch die Faserimprägnierung. Die Fasern 1 bewegen sich unter Längszugbeanspruchung über das perforierte Metallblech 2, wobei eine sinusförmige Kontaktdruckverteilung zwischen den Fasern 1 und dem Metallblech 2 entsteht. Der flüssige Kunststoff tritt durch die Perforationen 3 aus. Durch die Abstimmung der Dimension der Perforationen 3 in Abhängigkeit vom Kontaktdruck kann ein gezieltes Druckverhältnis bei der Imprägnierung der Fasern 1 eingestellt werden.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine erfindungsgemäße Imprägniervorrichtung. Um das Metallblech 2 gegenüber dem Trägerwerkzeug 4 abzudichten, wird eine speziell entwickelte Gelenkbolzenschelle 5 verwendet. Diese drückt das Metallblech 2 gegen das Trägerwerkzeug 4 und stellt somit sicher, dass radial kein Kunststoff austreten kann. Die Besonderheit an dieser Lösung besteht darin, dass die Gelenkbolzenschelle 5 zusätzlich mittig ausgefräst ist und dadurch gleichzeitig die seitliche Abgrenzung der Imprägnierstrecke darstellt. Somit lässt sich eine Funktionsintegration aus Blechhalterung und Begrenzung der Imprägnierstrecke in einem Bauteil erzielen.

Das Trägerwerkzeug 4 ist zweiteilig ausgeführt und ist neben der Aufnahme des perforierten Metallblechs 2 verantwortlich für die Zuführung der hochviskosen, thermoplastischen Kunststoffmatrix. Durch eine abgesetzte Kontur der Matrixzufuhr 6 wird die hochviskose, thermoplastische Kunststoffmatrix aus einem Extruder dem Trägerwerkzeug 4 zugeführt und über einen Verteilungskanal 7 gleichmäßig unterhalb des perforierten Metallblechs 2 verteilt. Zusätzlich dient das Trägerwerkzeug 4 als Aufnahme für diverse Sensoren (z.B.

Drucksensor 10, Temperatursensor 11) zur Steuerung des Prozesses. Die trockenen Fasern 1 werden über eine Umlenkrolle 8 auf das Trägerwerkzeug 4 geleitet, laufen dann halbkreisförmig über das perforierte Metallblech 2, wobei sie mit der aus den Perforationen 3 austretenden hochviskosen, thermoplastischen Kunststoff matrix imprägniert werden und verlassen dann als imprägniertes Faser-Matrix-Halbzeug 9 das Trägerwerkzeug 4.

Wie in Fig. 6 dargestellt, ist am Ende der Imprägnierstrecke eine Abzugseinheit 10 angeordnet, die der Dickenkalibrierung des Faser-Matrix-Verbundes dient. Die Dicke des Faser-Matrix-Verbundes kann somit variabel eingestellt werden. Diese Abzugseinheit 10 erzeugt eine Umwälzung der Matrix vor dem Verlassen der Imprägnierstrecke, wodurch zusätzlich die Imprägnierleistung und die Qualität der Oberfläche erhöht wird.

In Kombination mit seitlichen Begrenzungen der Imprägnierstrecke kann eine geschlossene Kavität erzeugt werden.