DE102010034386A1

DE102010034386A1 - Verfahren zur Herstellung und zum Monitoring eines mindestens teilweise aus Kunststoff gebildeten Gegenstands und ein Bauteil

Info

Publication number: DE102010034386A1
Application number: DE102010034386A
Authority: DE
Inventors: Dr. Jansen Klaus
Original assignee: Thomas GmbH and Co Technik and Innovation KG
Current assignee: Thomas GmbH and Co Technik and Innovation KG
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-16
Also published as: CN103228412A; EP2603367A1; US9770846B2; WO2012019749A1; CN103228412B; BR112013003375A2; US20140031458A1

Abstract

Bei der Herstellung von verstärkten und unverstärkten Bauteilen (45) aus Kunststoff muss nach der Formgebung der Kunststoff verfestigt werden. Dazu muss dem herzustellenden Bauteil (45) Energie zugeführt werden. Dies geschieht bislang durch ein Beheizen der Form (47) zur Herstellung des Bauteils (45). Der Energieeintrag in das herzustellende Bauteil (45) ist dadurch begrenzt, was vor allem bei größeren und voluminöseren Bauteilen (45) zu langen Verfestigungszeiten des Kunststoffs führt. Die Erfindung sieht es vor, die Energie zum Verfestigen des Kunststoffs des Bauteils (45) durch mindestens eine optische Faser (51) im herzustellenden Bauteil (45) dem zu verfestigenden Kunststoff zuzuführen. Durch den direkten Energieeintrag in das herzustellende Bauteil (45) kann die Verfestigung des Kunststoffs beschleunigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens teilweise aus Kunststoff gebildeten Gegenstands gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Montoring eines mindestens teilweise aus Kunststoff gebildeten Gegenstands gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Außerdem betrifft die Erfindung ein Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Kunststoffgegenstände, beispielsweise Profile oder Bauteile, bestehen entweder vollständig aus Kunststoff oder – in den überwiegenden Fällen – aus einem Matrixsystem aus Kunststoff und mindestens einer darin eingebetteten Verstärkung, beispielsweise Verstärkungsfasern und/oder Stränge. Um solche Gegenstände diskontinuierlich oder kontinuierlich, beispielsweise durch Pultrusion, herzustellen, muss der Kunststoff verfestigt werden. Der Kunststoff bzw. das Matrixsystem werden zu diesem Zweck während des Herstellungsprozesses von einem flüssigen oder in sonstiger Weise formbaren Zustand in einen festen Zustand überführt. Dazu ist Energie erforderlich, bei der es sich je nach dem verwendeten Matrixsystem um thermische Energie und/oder elektromagnetische Strahlungsenergie handeln kann.
Vor allem bei Gegenständen, insbesondere Bauteilen oder Profilen, mit verhältnismäßig großen Querschnitten oder deutlichen Querschnittsschwankungen ist es nicht nur erforderlich, eine entsprechende Energiemenge zuzuführen, die Energie muss den gesamten Querschnitt des Gegenstands bis in die Kernregion bzw. Mitte erreichen. Bisher ist es üblich, die Energie im herzustellenden Bauteil durch eine beheizte Form zuzuführen. Bei großen Bauteilen, insbesondere solchen mit größeren Querschnitten bzw. starken Querschnittsschwankungen, erfordert es naturgemäß eine gewisse Zeit, bis die von der aufgeheizten Form dem Kunststoff des herzustellenden Gegenstands von außen zugeführte Energie auch das Innere des Gegenstands bis zu seinem Kern gelangt ist. Die Folge sind entsprechend lange Produktionszeiten. Außerdem führt die nur von außen erfolgende Energiezufuhr bei Gegenständen mit großen Dicken bzw. Querschnittsschwankungen zu einem unkontrollierbaren Schrumpfen des Matrixsystems, was zu ungewollten Verformungen des Bauteils und Spannungen in demselben führen kann.
Bei bekannten Gegenständen wie insbesondere Bauteilen und Profilen mit einer Matrixstruktur, also verstärktem Kunststoff, besteht keine Möglichkeit, den Zustand des Gegenstands (vor allem seine Belastung) zu prüfen. Es gibt aber viele Anwendungsfälle, bei denen möglichst einfach während des Einsatzes oder Betriebs der Zustand und/oder die Belastung ermittelt werden sollen.
Die Erfindung befasst sich mit der verbesserten, insbesondere leistungsfähigeren Herstellung von Kunststoffgegenständen, vorzugsweise Verstärkungen von Kunststoffgegenständen, und/oder das Monitoring (insbesondere die Überwachung und Überprüfung) von Gegenständen aus verstärktem oder auch unverstärktem Kunststoff.
Ein Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 1 auf. Demnach ist vorgesehen, zum Verfestigen des Kunststoffs, insbesondere der Matrix aus Kunststoff und Verstärkungen bei verstärkten Gegenständen, mindestens einen Energieleiter zu verwenden, wobei der jeweilige Energieleiter sich im herzustellenden Gegenstand befindet. Durch den mindestens einen Energieleiter kann die zum Verfestigen des Kunststoffs oder der Matrix benötigte Energie direkt ins Innere des Gegenstands transportiert werden, und zwar bei entsprechender Anordnung des mindestens einen Energieleiters im Querschnitt des Gegenstands. Vor allem wenn mehrere Energieleiter eingesetzt werden, kann eine gezielte Zufuhr und Energie zu derjenigen auf den Querschnitt bezogenen Stelle des Gegenstands erfolgen, wo die Energie vorrangig zum Verfestigen des Kunststoffs bzw. der Matrix erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine direktere Zufuhr der Energie, was bei der bekannten Energiezufuhr durch eine beheizte Form nicht der Fall ist. Dadurch ermöglicht die Erfindung eine schnellere Herstellung von Gegenständen aus Kunststoff mit oder ohne mindestens einer Verstärkung. Zusätzlich kann aber gegebenenfalls auch noch Energie über die Form dem Gegenstand zugeführt werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, den mindestens einen Energieleiter in den herzustellenden Gegenstand einzubringen. Dies kann dauerhaft oder auch nur während der Herstellung geschehen. Dazu ist es bevorzugt vorgesehen, den mindestens einen Energieleiter ganz oder teilweise in den herzustellenden Gegenstand einzubetten. Bei mit Verstärkungen versehenen Gegenständen kann der mindestens eine Energieleiter Bestandteil der Matrix sein. Durch die Einbettung des mindestens einen Energieleiters im Gegenstand kann der jeweilige Energieleiter die zum Verfestigen des Kunststoffs oder der Matrix benötigte Energie direkt und unmittelbar in den herzustellenden Gegenstand hinein transportieren. Die Energie kann so dahin transportiert werden, wo sie zur optimalen gleichmäßigen Verfestigung des Kunststoffs oder der Matrix benötigt wird. Durch die direkte, gezielte Einbringung der Energie in den Gegenstand lassen sich der Kunststoff bzw. die Matrix rasch homogen verfestigen.
Des Weiteren ist es bevorzugt vorgesehen, dass der mindestens eine Energieleiter die von ihm transportierte Energie über ein freies Ende, vorzugsweise eine freie Stirnfläche, an den Kunststoff bzw. die Matrix des herzustellenden Gegenstands abgibt. Dadurch kann von jedem Energieleiter die Energie an einer bestimmten Stelle bezogen auf den Querschnitt und die Länge des herzustellenden Gegenstands dem Kunststoff bzw. der Matrix zugeführt werden. Um dabei sehr hohe lokale Energiedichten zu vermeiden, ist es denkbar, am Ende des jeweiligen Energieleiters einen Streukörper vorzusehen. Dadurch steht eine größere Fläche zur Übertragung der durch den jeweiligen Energieleiter in das Innere des Gegenstands transportierten Energie an den zu verfestigenden Kunststoff oder die Matrix zur Verfügung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht es vor, dass die Energie, die durch den mindestens einen Energieleiter in den herzustellenden Gegenstand eingebracht wird, vom jeweiligen Energieleiter verteilt abgestrahlt wird. Das kann beispielsweise durch Undulation und/oder Streuung an Strukturen des mindestens einen Energieleiters geschehen. Die Streuung kann auf verschiedene Weisen herbeigeführt werden, beispielsweise durch eine entsprechende Struktur des Mantels des vorzugsweise strangförmigen Energieleiters. Dadurch steht nicht nur die Stirnfläche des jeweiligen Energieleiters zum Übergang der Energie an den Kunststoff oder die Matrix zur Verfügung, sondern auch die Mantelfläche. Durch Einbettung einer entsprechenden Länge des Energieleiters in den herzustellenden Gegenstand kann die Fläche der im herzustellenden Gegenstand eingebetteten Energieleiter den Anforderungen entsprechend angepasst werden und dadurch Einfluss auf die Effektivität genommen werden, mit der der jeweilige Energieleiter Energie an den zu verfestigenden Kunststoff oder die Matrix abgibt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht es vor, als Energieleiter optische Energieleiter zu verwenden. Beispielsweise handelt es sich hierbei um optische Fasern wie zum Beispiel Glas- oder Polymerfasern. Hiermit wird die Energie auf optischem Wege, und zwar als extrem hochfrequente elektromagnetische Strahlung, insbesondere von mindestens einem Laser, in den herzustellenden. Gegenstand transportiert und an Kontakt- bzw. Übergangsflächen der optischen Fasern in den zu verfestigenden Kunststoff oder die Matrix eingekoppelt.
Bei einer denkbaren Ausgestaltung des Verfahrens ist es vorgesehen, die mindestens eine optische Faser nur zur Energiezufuhr in den herzustellenden Gegenstand einzusetzen. Die jeweilige optische Faser verbleibt aber nicht im herzustellenden Gegenstand. Bei dieser Vorgehensweise wird bevorzugt die mindestens eine optische Faser derart im herzustellenden Gegenstand positioniert, dass ihr freies Ende sich kurz vor der Stelle befindet, in der der Kunststoff oder die Matrix sich verfestigen. Dadurch ist sichergestellt, dass die jeweilige zum Energietransport dienende optische Faser nicht im verfestigten Kunststoff eingebettet wird und sich dadurch nicht mehr aus dem herzustellenden Gegenstand entfernen lässt. Wenn die jeweilige zur Energieleitung dienende optische Faser nicht im herzustellenden Gegenstand verbleibt, wird so vorgegangen, dass entweder bei kontinuierlichen Prozessen über die jeweilige stillstehende optische Faser der herzustellende Gegenstand kontinuierlich hinwegbewegt wird oder bei diskontinuierlichen Prozessen die jeweilige zur Energieleitung dienende optische Faser vor dem Verfestigen des Kunststoffs oder der Matrix aus dem herzustellenden Gegenstand herausgezogen wird.
Ein andere alternative Ausgestaltung des Verfahrens sieht es vor, dass von der mindestens einen optischen Faser wenigstens ein Teil der Verstärkung des herzustellenden Gegenstands, insbesondere seiner Matrix, gebildet wird. Auch die mindestens eine zur Energieleitung eingesetzte optische Faser verbleibt dann dauerhaft im herzustellenden Gegenstand. In diesem Falle wird auch bei kontinuierlichen Herstellungsprozessen, beispielsweise bei der Pultrusion, die mindestens eine zur Energieleitung dienende optische Faser kontinuierlich in Herstellungsrichtung mit dem Gegenstand weiterbewegt. Bei dieser Vorgehensweise verfügt jede zur Energieleitung dienende optische Faser über die eine Doppelfunktion, indem sie einerseits mindestens einen Teil der zum Verfestigen des Kunststoffs oder der Matrix benötigten Energie direkt in den Kunststoff oder die Matrix einleitet und andererseits ein Teil der Verstärkung, nämlich die Matrix, des herzustellenden Bauteils, Profils oder eines anderen Gegenstands bildet.
Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht es vor, die mindestens eine zur Energieleitung dienende optische Faser auch zur Überwachung des hergestellten Gegenstands einzusetzen. Die mindestens eine bei der Herstellung des Gegenstands zum Energietransport in das Innere des Gegenstands dienende optische Faser wird bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens auch zum Monitoring des fertigen Gegenstands, insbesondere im Betrieb bzw. Einsatz desselben, eingesetzt. Die jeweilige optische Faser hat dadurch eine Mehrfachfunktion, indem sie auch eine Beobachtung des fertigen Gegenstand zulässt. Ohne irgendwelche Veränderungen des Gegenstands können die bei der Herstellung desselben zum Verfestigen des Kunststoffs verwendeten optischen Fasern, insbesondere Lichtleiter, verwendet werden, um Überwachungen, Kontrollen und/oder Diagnosen am fertiggestellten Gegenstand durchzuführen, und zwar gegebenenfalls auch während seines Betriebs.
Ein weiteres Verfahren zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Maßnahmen des Anspruchs 10 auf. Dazu ist es vorgesehen, dass die Ermittlung wenigstens des Zustands und/oder der Belastung des Gegenstands mittels mindestens eines Verstärkungsstrangs erfolgt. Auf diese Weise braucht der Gegenstand baulich nicht verändert zu werden, um ihn zu überwachen, zu kontrollieren und/oder zu diagnostizieren. Vor allem können durch die Verwendung mindestens eines Verstärkungsstrangs die genannten Monitoringmaßnahmen jederzeit erfolgen, und zwar während des Einsatzes bzw. Betriebs des Gegenstands.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht es vor, mindestens einen als optische Faser ausgebildeten Verstärkungsstrang zu verwenden, um vorzugsweise durch Lichtleitung das Monitoring am Gegenstand vorzunehmen. Die zu Monitoringzwecken eingesetzten optischen Fasern, wobei es sich zum Beispiel um Glas- oder Polymerfasern handeln kann, sind auch typische Materialien für Verstärkungen, sodass die mindestens eine zu Monitoringzwecken eingesetzte optische Faser gleichzeitig mindestens einen Teil der Verstärkung bilden kann, ohne dass dadurch Festigkeitseigenschaften der Verstärkung beeinträchtigt werden.
Ein die Aufgabe der Erfindung lösendes Bauteil weist die Merkmale des Anspruchs 12 auf. Demnach ist das Bauteil mit mindestens einem optischen Leiter versehen. Dieser optische Leiter ist im Bauteil eingebettet, indem er Bestandteil der Matrix des Bauteils ist. Der mindestens eine optische Leiter ermöglicht es, sich zu Monitoringzwecken dienende Informationen vom Inneren des Bauteils nach außen leiten, um außerhalb des Bauteils ausgewertet zu werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, den mindestens einen optischen Leiter zur Ermittlung von Informationen über den Zustand und/oder die Belastung des Bauteils einen Teil der Verstärkung des Bauteils zu bilden. Der mindestens eine optische Leiter ist dann Bestandteil, der Matrix aus Kunststoff und Verstärkungssträngen des Kunststoffteils. Der mindestens eine optische Leiter weist dann eine Mehrfachfunktion auf, die nämlich einerseits zur Verstärkung des Bauteils und andererseits zu Monitoringzwecken dient. Die zu Kontroll-, Beobachtungs- und/oder Diagnosezwecken dienende optische Faser kann gegebenenfalls auch noch dazu dienen, Energie zum Verfestigen des Materials des Bauteils in dasselbe zu transportieren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Bauteils sieht es vor, dass der mindestens eine optische Leiter als wenigstens eine optische Faser, beispielsweise eine Glas oder Polymerfaser, ausgebildet ist. Solche optischen Fasern eignen sich besonders auch zur Bildung von Verstärkungen von aus Kunststoff gebildeten Bauteilen. Die optische Faser ist dann Bestandteil der Matrix des Bauteils. Die jeweilige optische Faser braucht so nicht als zusätzliche Komponente in der Matrix des Bauteils vorgesehen zu sein. Außerdem ist die jeweilige zu Monitoringzwecken dienende optische Faser geschützt im Inneren des Bauteils, insbesondere der Matrix, untergebracht. Vor allem bildet die jeweilige optische Faser oder Strang aus typischen Verstärkungsmaterialien keinen Fremdkörper innerhalb der Matrix des Gegenstands, der die Eigenschaften des Gegenstands beeinträchtigen könnte.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Gegenstand mit drei Energieleitern,
2 einen Längsschnitt durch einen Gegenstand analog zur 1 mit einem alternativen Energieleiter,
3 einen Längsschnitt durch einen Gegenstand analog zu den 1 und 2 mit einem alternativen Energieleiter,
4 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Gegenstands,
5 eine vergrößerte Prinzipdarstellung eines Energieleiters im Längsschnitt,
6 eine alternative Ausgestaltung eines Energieleiters in einer Darstellung analog zur 5,
7 eine alternative Darstellung eines Energieleiters analog zu den 5 und 6, und
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Energieleiters in einer Darstellung analog zu den 5 bis 7.
Die 1 bis 4 zeigen einen vereinfacht dargestellten Gegenstand. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Gegenstand um ein Bauteil 10 oder ein Profil. Das Bauteil 10 oder ein sonstiger Gegenstand können beliebige Formen und Gestaltungen aufweisen, insbesondere beliebige Querschnitte. Vor allem kann das Bauteil 10 sowohl geradlinig als auch gekrümmt sein.
Das Bauteil 10 oder ein anderer nach der Erfindung herzustellender Gegenstand sind entweder nur aus Kunststoff oder aus einer Matrix aus Kunststoff oder mindestens einer Verstärkung gebildet. Beim Kunststoff kann es sich um beliebige Kunststoffe, insbesondere sowohl Duroplaste als auch Thermoplaste, handeln, die mit zuführbarer Energie verfestigbar sind. Bei Thermoplasten wird der Kunststoff zur Formung des Bauteils 10 geschmolzen und anschließend verfestigt, wobei die Verfestigung durch Zufuhr von Energie intensiviert, vor allem beschleunigt, wird. Bei Duroplasten werden zu einem verformbaren Ausgangsmaterial gemischte Komponenten durch Energiezufuhr ausgehärtet.
Bei der mindestens einen Verstärkung kann es sich um eine beliebige, gebräuchliche Verstärkung aus Strängen, Vliesen, Geweben oder dergleichen handeln. Das Bauteil 10 kann sowohl mindestens eine Längsverstärkung und mindestens eine Querverstärkung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Verstärkung in beliebigen anderen Richtungen im Bauteil 10 zur Bildung der Matrix vorgesehen sein. Die mindestens eine Verstärkung kann aus beliebigen Materialien, insbesondere hochfesten Materialien wie hochzugfesten, gering dehnenden Strängen oder Fasern, gebildet sein. Die mindestens eine Verstärkung ist üblicherweise vollständig im Kunststoff des Bauteils 10 eingebettet.
Für die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 3, wird davon ausgegangen, dass das Bauteil 10 aus einer Matrix 11 aus Kunststoff mit mehreren darin eingebetteten beliebigen Verstärkungen gebildet ist. Die Verstärkungen im Kunststoff der Matrix 11 sind in den 1 bis 3 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Kunststoff der Matrix 11 ganz oder zumindest teilweise durch mindestens einen Energieleiter, und zwar insbesondere wenigstens einen Energieleiter in der Matrix 11, zu verfestigen und/oder auszuhärten. Dazu ist mindestens ein Energieleiter im Bauteil 10 eingebettet, und zwar entweder dauerhaft oder temporär, das heißt nur während der Herstellung des Bauteils 10.
Die 1 zeigt die Herstellung des Bauteils 10 mit drei darin eingebetteten Energieleitern. Die Energieleiter sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als optische Leiter ausgebildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den optischen Leitern um optische Fasern 12 oder auch optische Stränge. Die optischen Fasern 12 können Glas oder Polymerfasern sein, aber auch aus anderen Energie auf optischem Wege leitenden Materialien bestehen. Die Anzahl der optischen Fasern 12 im Bauteil 10 ist nicht auf das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel mit drei parallelen geradlinigen optischen Fasern 12 beschränkt. Je nach Größe und Art des Bauteils 10 kann die Anzahl der optischen Fasern 12 größer oder kleiner sein. Es ist auch denkbar, dass nur eine einzige optische Faser 12 zur Verfestigung des Kunststoffs der Matrix 11 im Bauteil 10 vorgesehen ist. Alle optischen Fasern 12 sind vollständig im Bauteil 10 eingebettet, befinden sich also innerhalb des Querschnitts des Bauteils 10, und zwar beabstandet von den Wandungen 14 desselben. Die optischen Fasern 12 sind in der 1 und auch den übrigen Figuren aus Gründen der besseren Erkennbarkeit stark vergrößert dargestellt. Tatsächlich sind die optischen Fasern 12 wesentlich dünner. Vorzugsweise entsprechen die Durchmesser der optischen Fasern 12, die im Ausführungsbeispiel der 1 über einen gleichen Durchmesser verfügen, aber auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen können, um bestimmten Stellen des Bauteils 10 mehr oder weniger Energie zuzuführen, dem Durchmesser der Fasern oder Stränge der Verstärkung in der Matrix 11. So können beispielsweise die Durchmesser der optischen Fasern 12 sich im Millimeter-Bereich bewegen, aber auch etwas größer oder kleiner als 1 mm sein. Übliche Durchmesser der optischen Fasern 12 liegen zwischen 0,1 mm und 2 mm.
Die optischen Fasern 12 sind im Ausführungsbeispiel der 1 geradlinig und parallelverlaufend über dem Querschnitt des Bauteils 10 verteilt in denselben angeordnet. Die optischen Fasern 12 verlaufen in Längsrichtung des Bauteils 10. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die drei optischen Fasern 12 unterschiedlich lang, indem ihre Enden, vorzugsweise ihre freien Querschnitte 13, an unterschiedlichen Stellen bezogen auf die Längsrichtung des Bauteils enden. Auf diese Weise kommt es zu einer gleichmäßigen Verteilung der von den optischen Fasern 12 in das Bauteil 10 eingebrachten Energie.
Die optischen Fasern 12 werden von außen in das Bauteil 10 eingeführt. Dadurch sind die optischen Fasern 12 außerhalb des Bauteils 10 mit Energie zum Verfestigen des Kunststoffs der Matrix 11 versorgbar, und zwar durch wenigstens eine geeignete Energiequelle. Als Energie zum Verfestigen des Kunststoffs der Matrix 11 dienen hochfrequente, vorzugsweise extrem hochfrequente elektromagnetische Strahlen, beispielsweise Laser. Es ist auch denkbar, thermische Energie über die optischen Fasern 12 dem Bauteil 10 zuzuführen.
Die von außen zugeführte Energie wird über die optischen Fasern 12 längs derselben in das Bauteil 10 eingeleitet. Die im Bauteil 10 eingebetteten optischen Fasern 12 dienen somit zum Energietransport in das Innere des Bauteils 10. Die von den optischen Fasern 12 ins Innere des Bauteils 10 transportierte Energie wird an den Enden der optischen Fasern 12 dem Kunststoff der Matrix 11 zugeführt bzw. an den Kunststoff übertragen. Die von den optischen Fasern 12 in das Bauteil 10 hineintransportierte Energie tritt somit an den freien Querschnitten 13 der optischen Fasern 12 aus, wodurch sie im Bauteil 10 abgestrahlt wird an die Matrix 11 und dadurch den Kunststoff derselben verfestigt.
Beim in der 1 gezeigten Bauteil 10 handelt es sich um einen Körper endlicher Länge, der in einer nicht dargestellten Form seine gewünschte Kontur erhält. Das Bauteil 10 wird somit diskontinuierlich hergestellt. Bei dieser Herstellungsweise des Bauteils 10 befinden sich die optischen Fasern 12 zur Energieübertragung nur temporär im Bauteil 10. Die optischen Fasern 12 werden demnach vor der vollständigen Fertigstellung des Bauteils 10 aus demselben herausgezogen. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass die optischen Fasern 12 nur so lange im Bauteil 10 verbleiben wie der Kunststoff zur Bildung desselben noch nicht vollständig verfestigt bzw. ausgehärtet ist. Es ist denkbar, dass die optischen Fasern 12 mit fortschreitender Verfestigung des Kunststoffs aus der Matrix 11 herausgezogen werden, wobei die Verfestigungsstellen des Kunststoffs beim Herausziehen der optischen Fasern 12 aus dem Bauteil 10 stets vor den freien Querschnitten 13 der optischen Fasern 12 liegen, damit diese nicht im verfestigten Kunststoff ”einfrieren”.
Es ist aber auch denkbar, dass die optischen Fasern 12 im Bauteil 10 verbleiben. Dann bilden die optischen Fasern 12 wenigstens einen Teil der Verstärkung des Bauteils 10 und somit auch einen Teil der Matrix 11 desselben.
Die Erfindung sieht es des Weiteren vor, die im fertiggestellten Bauteil 10 verbleibenden optischen Fasern 12 zu Monitoringzwecken einzusetzen. Die optischen Fasern 12 haben dann eine Mehrfachfunktion, indem sie bei der Herstellung des Bauteils 10 zunächst zur Einleitung der zum Verfestigen des Kunststoffs der Matrix 11 dienenden Energie in das Innere des Bauteils 10 dienen, mindestens einen Teil der Verstärkung bilden und nach der Fertigstellung des Bauteils 10 verwendet werden können für Monitoringzwecke. Das Monitoring ermöglicht es, das Bauteil 10 jederzeit, insbesondere auch während des Einsatzes, zu überwachen, zu kontrollieren und/oder zu diagnostizieren. Beispielsweise kann mit mindestens einer optischen Faser 12 eine Überwachung des Zustands oder der Belastung des Bauteils 10 erfolgen. Zum Zwecke dieser Überwachung überträgt die jeweilige optische Faser 12 entsprechende Signale aus dem Inneren des Bauteils 10 zu einem außerhalb desselben angeordneten Überwachungsgeräts. Es können verschiedene von den optischen Fasern 12 zu übertragenden Signale zur Überwachung herangezogen werden. Vor allem ist vorgesehen, die Überwachung visuell erfolgt, indem Bilder aus dem Inneren des Bauteils 10 an einem Bildschirm außerhalb des Bauteils 10 sichtbar gemacht werden.
Das vorstehende Monitoring-Verfahren kann auch am Bauteil 10 erfolgen, dem bei der Herstellung keine Energie über die optischen Fasern 12 zugeführt worden ist. In einem solchen Falle dienen die optischen Fasern 12 vorzugsweise nur zur Bildung eines Teils der Verstärkung in der Matrix 11 und zum Monitoring des Zustands und/oder der Belastung des Bauteils 10.
Beim Ausführungsbeispiel der 2 erstreckt sich ein Energieleiter bzw. Lichtleiter, und zwar wiederum eine optische Faser 15, durchgehend über die gesamte Länge des Bauteils 16. Dieses Bauteil 16 kann prinzipiell genauso aufgebaut sein wie das Bauteil 10 der 1. Die einzige optische Faser 15 erstreckt sich in Längsrichtung des Bauteils 16 schlangenlinienförmig längs durch das Bauteil 16, und zwar vorzugsweise durch die Mitte.
Zwischen den oberen und unteren Umkehrpunkten der schlangenlinig verlaufenden optischen Faser 15 befinden sich gerade Bereiche, die schräg zur Längsachse des Bauteils 16 verlaufen, vorzugsweise unter 45°. Es ist aber auch denkbar, dass die optische Faser 15 im Bauteil 16 andere ungeradlinige Verläufe, beispielsweise entlang einer Sinuslinie, aufweist. Weil die optische Faser 15 sich ununterbrochen längs durch das Bauteil 16 erstreckt, verfügt sie über kein freies Ende im Bauteil. Deswegen erfolgt hier die Energiefreisetzung durch eine verteilte Abstrahlung an der Mantelfläche 17 der optischen Faser 15. Mit anderen Wort tritt die von der optischen Faser 15 in das Bauteil 16 hineintransportierte Energie verteilt durch die Mantelfläche 17, insbesondere senkrecht zur Mantelfläche 17, aus derselben aus, so wie das durch Pfeile in der 2 angedeutet ist. Bei der in der 2 gezeigten optischen Faser 15 wird somit die von derselben durch das Bauteil 16 hindurch transportierte Energie durch Undulation an den Kunststoff bzw. die Matrix 11 des Bauteils 16 abgegeben bzw. in die Matrix 11 eingeleitet.
Abweichend von der Darstellung der 2 können im Bauteil 16 auch mehrere ungeradlinig, insbesondere schlangenlinienförmig, verlaufende optische Fasern 15 angeordnet sein, die dann so auf den Querschnitt des Bauteils 16 verteilt sind, dass dieses gleichmäßig von den optischen Fasern 15 mit Energie versorgt wird. Bei einem symmetrischen Profil des Bauteils 16 sind die optischen Fasern 15 vorzugsweise gleichmäßig bzw. symmetrisch über den Querschnitt verteilt im Kunststoff bzw. der Matrix 11 des Bauteils 16 eingelagert.
Die in der 2 dargestellte durchgehende Anordnung mindestens einer geschlängelten optischen Faser 15 im Bauteil 16 eignet sich sowohl für die diskontinuierliche Herstellung des Bauteils 16 mit einer endlichen Länge als auch zur kontinuierlichen Herstellung eines strangförmige Bauteils 16 beliebiger Länge. Die Energieeinleitung in die optische Faser 15 erfolgt dann derart, dass aus der Mantelfläche 17 derselben Energie im Wesentlichen nur im Anfangsbereich des Bauteils 16 abgestrahlt wird, indem der Kunststoff noch nicht verfestigt bzw. die Matrix 11 noch nicht ausgehärtet ist. Die mindestens eine optische Faser 15 verbleibt bei dieser Ausgestaltung der Erfindung im Bauteil 16. Damit dient die mindestens eine optische Faser 15 nicht nur bei der Herstellung zur Zufuhr von Energie zum auszuhärtenden Kunststoff des Bauteils 16. Durch den Verbleib der mindestens einen optischen Faser 15 im Bauteil 16 dient sie auch zur Verstärkung desselben, indem sich die gesamte Verstärkung oder nur mindestens ein Teil der Verstärkung des Bauteils 16 bildet. Außerdem kann die mindestens eine optische Faser 15 auch zum Monitoring eingesetzt werden, das heißt zur Überwachung des Zustands bzw. der Belastung des fertiggestellten Bauteils 10, und zwar auch während des Einsatzes desselben.
Die 3 zeigte ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der im kontinuierlich oder diskontinuierlich hergestellten Bauteil 18, das beispielsweise gemäß dem Bauteil 10 der 1 aufgebaut ist, ein durchgehender, geradliniger Energieleiter angeordnet ist. Der Energieleiter ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum als eine optische Faser 19 ausgebildet. Auch mehrere optische Fasern 19 können verteilt im Bauteil 18 angeordnet sein.
Die von der optischen Faser 19 in das Bauteil 18 hineintransportierte Energie wird senkrecht zur Mantelfläche 20 der optischen Faser 19 abgestrahlt und dabei in den zu verfestigenden. Kunststoff der Matrix 11 des Bauteils 18 eingeleitet. Durch Pfeile ist in der 3 die Strahlungsrichtung 21 der von der optischen Faser 19 an die Mantelfläche 20 abgegebenen Energie symbolisiert. Durch gezielte Störungen in der Mantelfläche 20, beispielsweise durch eine Aufrauung der Mantelfläche 20, entstehen Austrittsflächen für die Energie aus der optischen Faser 19. Aufgrund unregelmäßiger Störungen oder Unregelmäßigkeiten der Aufrauung der Mantelfläche 20 ist es denkbar, dass die Strahlungsrichtung 21 nicht wie in der 3 idealisiert dargestellt senkrecht zur Mantelfläche 20 aus der optischen Faser 19 austritt, sondern leicht schräg hierzu in unterschiedlichen Richtungen, wobei sich die Strahlungsrichtungen 21 auch kreuzen können.
Die 5 bis 8 zeigen verschiedene Ausgestaltungen optischer Fasern. Beispielsweise können so die optischen Fasern 12, 15 und 19 der 1 bis 3 ausgebildet sein.
Die optische Faser 22 der 5 weist einen inneren Kern 23 und einen äußeren Mantel 24 auf. Mindestens der Kern 23 ist als optischer Leiter, beispielsweise als Glasfaser oder Polyamidfaser, ausgebildet. Der den Kern 23 umgebende Mantel 24 ist im Ausführungsbeispiel der 5 so ausgebildet, dass er Energie nicht durchlässt. Die Energie wird dann im Kern 23 in Strahlungsrichtung 21 weitertransportiert zur freien Stirnfläche 25 am freien Ende der optischen Faser 22 bzw. des optischen Leiters. An der Stirnfläche 25 tritt die Energie, beispielsweise extrem hochfrequente elektromagnetische Strahlung, die von mindestens einem Laser erzeugt wird, aus dem Kern 23 aus, von wo aus die Energie vom die optische Faser 22 umgebenden Kunststoff oder die Matrix absorbiert wird, um den Kunststoff bzw. die Matrix zu verfestigen.
Die 6 zeigt eine optische Faser 26, die wie die optische Faser 22 ausgebildet und aufgebaut ist, nämlich über einen inneren Kern 27 und einen diesen umgebenden Mantel 28 verfügt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 5 verfügt die optische Faser 26 über kein stumpfes Ende. Das Ende ist vielmehr verjüngt, vorzugsweise kegelförmig verjüngt ausgebildet, so dass am freien Ende der optischen Faser 26 ein Taper 29 entsteht. Die durch den Kern 27 in Längsrichtung der optischen Faser 26 zum Taper 29 transportierte Energie tritt durch die kegelförmige Außenfläche aus dem Taper 29, nämlich seinem Mantel 28, heraus, und zwar leicht schräggerichtet zur kegelförmigen Außenfläche des Tapers 29. Dadurch tritt die Energie in radialer Strahlungsrichtung 21 aus der kegelförmigen Mantelfläche des Tapers 29 heraus. Die Energie wird dann radialgerichtet vom Taper 29 in den auszuhärtenden Kunststoff bzw. die Matrix 11 eingeleitet.
Die 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer optischen Faser 30, die wie die optischen Fasern 22 und 26 aus einem inneren Kern 31 und einen diesen umgebenden Mantel 32 gebildet ist. Am freien, stumpfen Ende 33 der optischen Faser 30 ist ein Streukörper 34 angeordnet. Dieser kann als Absorptions- oder Fluoreszenzkörper ausgebildet sein. Die durch den Kern 31 in die vor der optischen Faser 30 befestigte Stirnseite des Streukörpers 34 eingeleitete Energie wird über die gesamte Umfangsfläche 35 und die freie Stirnseite 36 des Streukörpers 34 in den diesen umgebenden Kunststoff bzw. die Matrix 11 eingeleitet. Auf diese Weise wird die Energie gleichmäßig verteilt bzw. diffus dem zu verfestigenden Kunststoff zugeführt, wodurch lokale Energiedichten vermieden werden und so relativ große Energiemengen über den Streukörper 34 dem zu verfestigenden Kunststoff oder der Matrix 11 zuführbar sind, ohne dass es dabei zu Beeinträchtigungen des Kunststoff bzw. der Matrix 11 durch zu hohe Energiedichten kommt.
Die optische Faser 37 der 8 verfügt ebenfalls über einen Kern 38 und einen Mantel 39. Die Energie wird durch den Kern 38 hindurch zum freien Ende 40 der optischen Faser 37 transportiert. Im Kern 38 sind Streumittel 41 eingebettet. Bei den Streumitteln 41 kann es sich um kleine Partikel bzw. Körperchen mit anderen Materialeigenschaften als der Kern 38 handeln, aber auch Hohlräume oder Fehlstellen im Kern 38. Auf diese Weise kommt es zu einer Streuung der Energie im Kern 38, die auch nach außen zur Hüllfläche 42 des Kerns 38 gerichtet ist. Der Mantel 39 ist bei der optischen Faser 37 auch zur Streuung der Energie ausgebildet. Dazu ist der Mantel 39 entweder wie der Kern 38 mit Streumitteln versehen oder er weist Strukturen 43 auf. Infolge der Strukturen 43 stellt der Mantel 39 eine den Kern 38 umgebende Absorptions- oder Fluoreszenzschicht dar, durch die die Energie nach außen abgestrahlt wird und in verschiedenen radialen Richtungen die optische Faser 37 verlässt. Die Energie tritt dann als vorzugsweise gleichmäßig um die optische Faser 37 verteilte Energiestrahlen aus der optischen Faser 37 heraus. Diese Energiestrahlen werden vom Kunststoff oder der Matrix 11 eines Bauteils absorbiert und dabei der Kunststoff bzw. die Matrix 11 ausgehärtet bzw. verfestigt. Zusätzlich kann auch Energie über das freie Ende 40 mindestens des Kerns 38 aus der optischen Faser 37 austreten.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel der 8 können am freien Ende 40 der optischen Faser 37 ein Taper 29 oder ein Streukörper 34 angeordnet sein.
Die 4 verdeutlicht die Erfindung im Zusammenhang mit der kontinuierlichen Herstellung eines länglichen, strangförmigen Bauteils 45. Eine Möglichkeit, ein solches langes Bauteil 45, insbesondere Profil, kontinuierlich herzustellen ist die in der 4 schematisch dargestellte Pultrusion. Das Bauteil 45 wird bei der Herstellung in Fertigungsrichtung 46 durch eine stillstehende Form 47 hindurchgezogen. Die vorzugsweise einteilige Form 47 umgibt das Profil des herzustellenden Bauteils 45 vollständig.
Das Bauteil 45 ist gebildet aus einer Matrix aus Verstärkungsfasern 48 und diese einbettenden Kunststoff, insbesondere einem Duroplast. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Verstärkungsfasern 48 durchgehend in Fertigungsrichtung 46 durch das Bauteil 45. Es ist auch denkbar, andere oder zusätzliche nicht gezeigte Verstärkungen, beispielsweise Querverstärkungen, vorzusehen.
Die Verstärkungsfasern 48 werden am Formanfang 49 in einer für das Pultrusionsverfahren üblichen Weise in die Form 47 geführt. Die Verstärkungsfasern 48 verlaufen ununterbrochen parallel zueinander längs durch die Form 47. Am in Fertigungsrichtung 46 vorn liegenden Formende 50 tritt das fertige Bauteil 45 aus der Form 47 heraus, wobei das Bauteil 45 vollständig verfestigt bzw. ausgehärtet ist.
Das Aushärten bzw. Verfestigen des Kunststoffs des Bauteils 45 erfolgt durch Zufuhr von Energie. Ein Teil der Energie kann durch eine Beheizung der Form 47 über die äußere Mantelfläche in das Bauteil 45 eingebracht werden.
Die Erfindung sieht es vor, zusätzliche Energie, aber gegebenenfalls auch die gesamte Energie (die Form 47 braucht dann nicht beheizt zu werden) von innen in das herzustellende Bauteil 45 einzubringen, um das Aushärten bzw. Verfestigen des Kunststoffs bzw. der Matrix 11 des Bauteils 45 zu beschleunigen. Zu diesem Zweck ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine als Energieleiter dienende optischer Faser 51 vorgesehen. Die in der Profilmitte, vorzugsweise auf der Längsachse des Bauteils 45, liegende, geradlinige optische Faser 51 ist in der 4 aus Darstellungszwecken vergrößert dargestellt. Prinzipiell braucht der Durchmesser der optischen Faser 51 nicht größer zu sein als der Durchmesser der Verstärkungsfasern 48. Es ist aber auch denkbar, die optische Faser 51 mit einem geringfügig größeren Durchmesser als die Verstärkungsfaser 48 auszubilden, um den Energiefluss durch die optische Faser 51 zu vergrößern.
Die optische Faser 51 ist wie die Form 47 ortsfest durch geeignete Mittel gehalten. Dadurch steht die optische Faser 51 relativ zur Form 47 still. Ein im Inneren der Form 47 liegendes Ende 52 der optischen Faser 51 verändert dadurch seine Position relativ zur Form 47 nicht. Auf diese Weise verbleibt die optische Faser 51 nicht im herzustellenden Bauteil 45. Das freie Ende 52 der optischen Faser 51 befindet sich etwa mittig im Inneren des herzustellenden Bauteils 45, und zwar an einer solchen Stelle, wo der Kunststoff bzw. die Matrix 11 noch nicht ausgehärtet oder verfestigt ist. Diese Stelle bildet eine Gelzone 53 des Duroplasts, die in Fertigungsrichtung 46 gesehen vor dem Ende 52 der optischen Faser 51 liegt.
Das Ende 52 der optischen Faser 51 in der Form 47 bzw. im herzustellenden Bauteil 45 kann ausgebildet sein wie es in den 5 bis 7 dargestellt ist. Denkbar ist es aber auch, die optische Faser 51 gemäß der 8 auszubilden, so dass die durch die optische Faser 51 in das herzustellende Bauteil 47 transportierte Energie nicht nur durch die Stirnseite am Ende 52 der optischen Faser 51 austritt, sondern auch mantelseitig. Auf diese Weise können relativ große Energieraten ohne lokale Aufheizungen des Kunststoffs bzw. der Matrix 11 von der optischen Faser 51 an den Kunststoff bzw. die Matrix zur Herstellung des Bauteils 45 übertragen werden, wodurch eine kurzfristige Verfestigung bzw. Aushärtung des Bauteils 45 herbeigeführt wird.
Abweichend zum Ausführungsbeispiel in der 4 ist es auch denkbar, mehrere optische Fasern 51 vorzusehen, die mit ihren Enden 52 in die Form 47 hineinragen, wie das beispielsweise in der 1 dargestellt ist.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
11: Matrix
12: optische Faser
13: freier Querschnitt
14: Wandung
15: optische Faser
16: Bauteil
17: Mantelfläche
18: Bauteil
19: optische Faser
20: Mantelfläche
21: Strahlungsrichtung
22: optische Faser
23: Kern
24: Mantel
25: Stirnfläche
26: optische Faser
27: Kern
28: Mantel
29: Taper
30: optische Faser
31: Kern
32: Mantel
33: freies Ende
34: Streukörper
35: Umfangsfläche
36: Stirnseite
37: optische Faser
38: Kern
39: Mantel
40: freies Ende
41: Streumittel
42: Hüllfläche
43: Struktur
45: Bauteil
46: Fertigungsrichtung
47: Form
48: Verstärkungsfaser
49: Formanfang
50: Formende
51: optische Faser
52: Ende
53: Gelzone

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mindestens teilweise aus Kunststoff gebildeten Gegenstands, vorzugsweise eines Gegenstands, der mindestens eine Verstärkung aufweist, wobei der Kunststoff durch Einbringung von Energie verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie durch mindestens einen Energieleiter im herzustellenden Gegenstand dem zu verfestigenden Kunststoff zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Energieleiter in den herzustellenden Gegenstand eingebracht wird, vorzugsweise im Kunststoff des Gegenstands angeordnet und/oder eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie über ein Ende, vorzugsweise eine freie Stirnfläche, des mindestens einen Energieleiters an den Kunststoff übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie durch eine verteilte Abstrahlung, insbesondere durch Undulation, Streuung an Strukturen des mindestens einen Energieleiters und/oder einen Streukörper an den Kunststoff übertragen und/oder in den Kunststoffeingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energieleiter ein optischer Energieleiter, insbesondere mit einer optischen Faser (12, 15, 19, 22, 26, 30, 37, 51) verwendet wird, wobei der Energieleiter mit hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, die vorzugsweise von mindestens einem Laser erzeugt wird, mit Energie gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optische Faser (12, 15, 19, 22, 26, 30, 37, 51) nur zur Energiezufuhr dient, ohne im herzustellenden Gegenstand zu verbleiben.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optische Faser (12, 15, 19, 22, 26, 30, 37, 51) derart im herzustellenden Gegenstand positioniert wird, dass ihr freies Ende sich kurz vor der Stelle befindet, an der der Kunststoff des herzustellenden Gegenstands sich verfestigt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass von der mindestens einen optischen Faser (12, 15, 19, 22, 26, 30, 37, 51) wenigstens ein Teil der Verstärkung des herzustellenden Gegenstands gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optische Faser (12, 15, 19, 22, 26, 30, 37, 51) im herzustellenden Gegenstand verbleibt, insbesondere zur Bildung eines Teils der Verstärkung und/oder zu Überwachungszwecken.
Verfahren zum Monitoring eines mindestens teilweise aus Kunststoff gebildeten Gegenstands, vorzugsweise eines eine Matrix (11) aus Kunststoff und Verstärkungssträngen aufweisenden Gegenstands, wobei wenigstens der Zustand und/oder eine Belastung des Gegenstands ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung wenigstens des Zustands und/oder der Belastung des Gegenstands mittels mindestens eines Verstärkungsstrangs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein als optische Faser (12, 15, 19, 22, 26, 30, 37, 51) ausgebildeter Verstärkungsstrang verwendet wird, um vorzugsweise durch Lichtleitung mindestens den Zustand und/oder die Belastung des Gegenstands zu ermitteln.
Bauteil mit einer Matrix (11) aus Kunststoff und mindestens einer Verstärkung aus vorzugsweise Verstärkungsfasern, dadurch gekennzeichnet, dass in der Matrix (11) mindestens ein optischer Leiter zum Energietransport in die Matrix (11) angeordnet ist.
Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Leiter Teil der Verstärkung ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine optische Leiter wenigstens eine optische Faser (12, 15, 19, 22, 26, 30, 37, 51) ist.