DE102019125531A1

DE102019125531A1 - Method for producing carbon fiber strand sections, method for reinforcing components, carbon fiber strand section production device and component production device

Info

Publication number: DE102019125531A1
Application number: DE102019125531.7A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Christoph Werner Osterroth; Sebastian Nendel; Marcel Meyer; Lutz PANDER; Percy Pöttrich; Johannes Tietze; Sandra Gelbrich; Henrik Funke
Original assignee: NEWCYCLE KUNSTSTOFFTECHNIK GmbH
Current assignee: NEWCYCLE KUNSTSTOFFTECHNIK GmbH
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserstrangabschnitten, bei dem in einem kontinuierlichen Prozess mit konstanter Bahnwarengeschwindigkeit wenigstens ein Carbonfaserband bereitgestellt, das wenigstens eine Carbonfaserband in einer Faserverarbeitungsrichtung abgezogen und mit beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband aufgespreizt; das wenigstens eine gespreizte Carbonfaserband verfestigt; das wenigstens eine gespreizte und verfestigte Carbonfaserband längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge durchtrennt und die Carbonfaserstränge quer zu der Faserverarbeitungsrichtung zu Carbonfaserstrangabschnitten durchtrennt werden, sowie ein Verfahren zum Verstärken von Bauteilen, bei dem erfindungsgemäß hergestellte Carbonfaserstrangabschnitte in ein aushärtbares Material eingebracht werden. Die Erfindung beinhaltet ferner eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung mit wenigstens einem Carbonfaserbereitstellungsmodul, einem Spreizmodul, wenigstens einem Verfestigungsmodul, einem Längstrennmodul, einem Quertrennmodul und wenigstens einer einen durchgehenden Materialtransport von dem Carbonfaserbandbereitstellungsmodul bis zu dem Quertrennmodul ermöglichenden Materialfördereinrichtung. Zusätzlich enthält die Erfindung eine Bauteilherstellungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung und einem mit dieser über eine Fördereinrichtung verbundenen Matrixmaterialbereitstellungsmodul.The invention includes a method for the production of carbon fiber strand sections, in which at least one carbon fiber band is provided in a continuous process with constant web material speed, the at least one carbon fiber band is drawn off in a fiber processing direction and expanded with heated spreader bars unstructured along its circumference to form at least one expanded carbon fiber band; solidifies the at least one spread carbon fiber band; the at least one spread and solidified carbon fiber band along the fiber processing direction is cut into several parallel carbon fiber strands and the carbon fiber strands are cut transversely to the fiber processing direction to form carbon fiber strand sections, as well as a method for reinforcing components in which carbon fiber strand sections produced according to the invention are introduced into a hardenable material. The invention further includes a carbon fiber strand section production device with at least one carbon fiber supply module, a spreading module, at least one consolidation module, a longitudinal cutting module, a transverse cutting module and at least one material conveying device that enables continuous material transport from the carbon fiber tape supply module to the transverse cutting module. In addition, the invention contains a component production device with a carbon fiber strand section production device according to the invention and a matrix material supply module connected to this via a conveying device.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserstrangabschnitten. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verstärken von Bauteilen. Die Erfindung betrifft ferner eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung sowie eine Bauteilherstellungsvorrichtung.The present invention relates to a method for producing carbon fiber strand sections. The present invention also relates to a method for reinforcing components. The invention further relates to a carbon fiber strand section production device and a component production device.

Technische Verstärkungsfasern, hier Carbonfasern, gewinnen aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften zunehmend an Bedeutung. In Form von Kurzfasern (bis 25 mm Länge) finden sie in Kunststoff- und Betonbauteilen besonders bei der Gestaltung von filigranen und dünnwandigen Strukturen Anwendung. Mit Hilfe der Verstärkungsfasern kann eine Steigerung der mechanischen Festigkeiten und in Bezug auf Betonanwendungen eine Verringerung des Rissfortschritts im Fall eines Bauteilversagens erzielt werden. Zur bestmöglichen Ausnutzung des Materialpotenzials müssen die Fasern zu kleinen Faserbündeln vereinzelt, auf eine definierte Länge getrennt und homogen verteilt in den Verbundwerkstoff integriert werden.Technical reinforcement fibers, here carbon fibers, are becoming increasingly important due to their excellent mechanical properties. In the form of short fibers (up to 25 mm in length) they are used in plastic and concrete components, particularly in the design of filigree and thin-walled structures. The reinforcement fibers can be used to increase mechanical strength and, in relation to concrete applications, to reduce crack propagation in the event of component failure. To make the best possible use of the material potential, the fibers must be separated into small fiber bundles, separated to a defined length and integrated into the composite material in a homogeneous distribution.

Bei der Verwendung von herkömmlichen Stahlarmierungen in Betonbauteilen ist oftmals eine Mindestüberdeckung von 25 mm und mehr notwendig, damit ein entsprechender Korrosionsschutz gewährleistet werden kann. Durch die Verwendung von technischen Fasern als Armierung kann wesentlich filigraner gebaut werden, die Durchtrocknungszeit ist wesentlich geringer und die Verteilung der Armierung im Beton ist wesentlich homogener und muss nicht erst an entsprechender Stelle vorfixiert werden. Dies ermöglicht eine höhere Flexibilität ebenso wie eine signifikante Reduzierung des Vorbereitungsaufwandes zur Einbringung und Fixierung bei gleichzeitiger Reduzierung von konventionellen Stahlarmierungen bei der Betonverarbeitung und eine größere Gestaltungsvielfalt bei der Bauteilauslegung.When using conventional steel reinforcement in concrete components, a minimum cover of 25 mm and more is often necessary so that appropriate corrosion protection can be guaranteed. By using technical fibers as reinforcement, the building can be built much more filigree, the drying time is much shorter and the distribution of the reinforcement in the concrete is much more homogeneous and does not have to be pre-fixed at the appropriate point. This enables a higher flexibility as well as a significant reduction of the preparation effort for the introduction and fixation with a simultaneous reduction of conventional steel reinforcement in the concrete processing and a greater design variety in the component design.

Die Faserverstärkung kann dabei unter Verwendung von Endlosfasern, z. B. einem aus Endlosfasern hergestellten Gewebe oder Gelege, und damit produziertem Textilbeton, oder unter Verwendung von Kurzfasern, welche eine Länge bis 25 mm aufweisen, und daraus hergestelltem Faserbeton, in den Frischbeton eingebracht werden. Die besten mechanischen Eigenschaften werden bei einer Kombination aus Textil- und Faserbeton erreicht.The fiber reinforcement can be made using continuous fibers, e.g. B. a fabric or scrim made of continuous fibers, and thus produced textile concrete, or using short fibers, which have a length of up to 25 mm, and fiber concrete made therefrom, can be introduced into the fresh concrete. The best mechanical properties are achieved with a combination of textile and fiber concrete.

Bereits 1970 kamen erste Betonwerkstoffe mit kurzen Stahldrähten zur Verstärkung auf den Markt. Dies hatte allerdings nur eine untergeordnete Bedeutung, da es noch keine Bemessungsmethode wie für den Stahlbeton gab. Mit den später vorliegenden Bemessungen für Faserbeton eröffneten sich zahlreiche Anwendungsgebiete. In den Folgejahren wurde an zahlreichen weiteren Armierungsmaterialien wie z. B. Natur- oder Glasfasern geforscht. Diese konnten sich jedoch aus verschiedenen Gründen, wie unzureichender Festigkeit und/oder fehlender Alkaliresistenz, am Markt nur bedingt durchsetzen. In den letzten Jahren wurde zudem vermehrt die Anwendung von Carbonfasern untersucht. Diese finden allerdings vorwiegend in Form endlos-faserverstärkter Verstärkungen, z. B. in Form von Geweben oder Gelegen, Anwendung, da hier die hervorragenden mechanischen Eigenschaften besonders zum Tragen kommen. Die Verwendung von Carbonschnittfasern ist derzeit aufgrund des hohen Materialpreises bei geringen Tex-Zahlen nicht wirtschaftlich.The first concrete materials with short steel wires for reinforcement came onto the market as early as 1970. However, this was of subordinate importance, as there was as yet no design method like that for reinforced concrete. The later available measurements for fiber concrete opened up numerous areas of application. In the following years, numerous other reinforcement materials such as B. researched natural or glass fibers. However, for various reasons, such as insufficient strength and / or lack of alkali resistance, these were only able to gain acceptance on the market to a limited extent. In recent years, the use of carbon fibers has also been increasingly investigated. However, these are mainly found in the form of endless fiber-reinforced reinforcements, e.g. B. in the form of fabrics or scrims, application, since the excellent mechanical properties are particularly important here. The use of cut carbon fibers is currently not economical due to the high material price and low Tex numbers.

Bei der konventionellen Herstellung von Carbonschnittfasern (Chopped Carbon Fibers) werden zunächst Carbon-Endlosfasern (z. B. 24k ≙ 1600g/1000m oder 50k ≙ 3300g/1000m) gefertigt und auf Kerne aufgespult. Die Verarbeitung zu Schnittfasern wird erst in einem nachgelagerten Prozess durchgeführt.In the conventional production of chopped carbon fibers, continuous carbon fibers (e.g. 24k 1600g / 1000m or 50k ≙ 3300g / 1000m) are first produced and wound onto cores. The processing into cut fibers is only carried out in a downstream process.

Zahlreiche Hersteller bieten solche Carbonschnittfasern üblicherweise in einer Länge von 6 mm bereits an. Die Schnittfasern oder Schnittfaserbündel verfügen dabei aufgrund eines Schlichteauftrags bei der Faserherstellung über einen guten Zusammenhalt, entsprechen aber nicht den für die Anwendung im Beton- oder Asphaltbereich geforderten Eigenschaften und mechanischen Festigkeiten.Numerous manufacturers already offer such cut carbon fibers in a length of 6 mm. The cut fibers or cut fiber bundles have a good cohesion due to a sizing application during fiber production, but do not correspond to the properties and mechanical strengths required for use in the concrete or asphalt sector.

Carbonschnittfasern für die Anwendung in Betonbauteilen (≤ 200 tex) sind derzeit am Markt nicht erhältlich. Daher besteht derzeit nur die Möglichkeit, die Carbonschnittfasern aus Endlos-Rovings (≤ 200 tex) durch Quertrennen bzw. Schneiden zu erzeugen. Carbonfaser-Rovings solcher Feinheiten zeichnen sich durch einen sehr hohen spezifischen Preis aus, da die Carbonfaserherstellung aufgrund des energieintensiven Prozesses für diese Faserfeinheit sehr ineffizient ist.Carbon cut fibers for use in concrete components (≤ 200 tex) are currently not available on the market. For this reason, there is currently only the option of producing the cut carbon fibers from endless rovings (≤ 200 tex) by transverse cutting or cutting. Carbon fiber rovings of such fineness are characterized by a very high specific price, since carbon fiber production is very inefficient due to the energy-intensive process for this fiber fineness.

Die Verbundeigenschaften des Faserbetons sind besonders von der Faserverteilung, der Textur und dem Fasergehalt im Beton abhängig. Das Ziel ist eine homogene Verteilung und eine ungerichtete, multidirektionale Orientierung der Fasern. Bei der Faserverstärkung werden wasserdispersible und integrale Kurzfasern unterschieden. Wasserdispersible Kurzfasern dispergieren im Beton vollständig, die Faserbündel lösen sich beim Kontakt mit Wasser und besitzen somit eine sehr große Verbundfläche zum Beton. Integrale Fasern liegen hingegen in einer Betonmatrix als Filamentbündel vor, bei denen nur die Randfilamente Kontakt zum Beton aufweisen. Dies stellt eine Anwendungsgrenze integraler Fasern für Betonanwendungen dar. Zur Gewährleistung guter mechanischer Eigenschaften dürfen bei Carbonfasern die Kurzfasern deshalb eine Faserfeinheit von 200 tex nicht überschreiten. Diese Faserfeinheit wird bereits bei einer Filamentzahl ab 3000 Filamenten je Roving überschritten.The composite properties of the fiber concrete are particularly dependent on the fiber distribution, the texture and the fiber content in the concrete. The goal is a homogeneous distribution and an omnidirectional, multidirectional orientation of the fibers. When it comes to fiber reinforcement, a distinction is made between water-dispersible and integral short fibers. Water-dispersible short fibers disperse completely in the concrete, the fiber bundles dissolve on contact with water and thus have a very large bonding surface with the concrete. Integral fibers, on the other hand, are present in a concrete matrix as filament bundles in which only the edge filaments are in contact with the concrete. This represents an application limit of integral fibers for concrete applications. In order to guarantee good mechanical properties, the short fibers of carbon fibers may therefore have a fiber fineness of Do not exceed 200 tex. This fiber fineness is exceeded with a filament count of 3000 or more filaments per roving.

Mit zunehmendem Fasergehalt im Beton steigen die Festigkeiten des Verbundwerkstoffes, während die Fließfähigkeit des Frischbetons und die Verdichtbarkeit herabgesetzt werden. Unter der Verwendung von wasserdispersiblen Carbon-Kurzfasern mit einem Faservolumengehalt bis 0,9 % konnte in wissenschaftlichen Untersuchungen bereits eine Steigerung der Zugfestigkeit des Betons um ca. 50 % nachgewiesen werden. In der Praxis finden die Carbon-Kurzfasern (≤ 25 mm) jedoch aufgrund des hohen Materialpreises für geeignete Fasern, noch keine breite Akzeptanz.With increasing fiber content in the concrete, the strength of the composite increases, while the flowability of the fresh concrete and the compressibility are reduced. Using water-dispersible short carbon fibers with a fiber volume content of up to 0.9%, scientific studies have already shown an increase in the tensile strength of the concrete by approx. 50%. In practice, however, short carbon fibers (≤ 25 mm) are not yet widely accepted due to the high material price for suitable fibers.

In der Druckschrift EP 0 881 312 A2 ist ein Verfahren zur gezielten Beschlichtung von Kohlefaserbündeln aus jeweils 20000 bis 150000 Filamenten, sogenannten Heavy-Tows, für das anschließende Erzeugen von Schnittfasern beschrieben. Das beschriebene Verfahren bezieht sich auf ein epoxy-basiertes wasserdispersibles Beschlichtungssystem sowie die anschließende Materialtrocknung. Bei verschiedenen Prozessparametern und Materialkombinationen wurde ein Optimum für die Weiterverarbeitung zu Schnittfasern ermittelt. Als nachteilig erweist sich hier, dass die einzelnen Schnittfasern aufgrund der sehr großen Faserbündel mit einem mittleren Gewicht pro Längeneinheit von 1,7 bis 4 mg/mm noch sehr dick sind und somit selbst unter Verwendung einer wasserdispersiblen Schlichte keine ausreichende Homogenisierung der Fasern im Beton erzielt werden kann.In the pamphlet EP 0 881 312 A2 describes a process for the targeted sizing of carbon fiber bundles each made of 20,000 to 150,000 filaments, so-called heavy tows, for the subsequent production of cut fibers. The process described relates to an epoxy-based, water-dispersible sizing system and the subsequent drying of the material. With various process parameters and material combinations, an optimum was determined for further processing into cut fibers. A disadvantage here is that the individual cut fibers are still very thick due to the very large fiber bundles with an average weight per unit length of 1.7 to 4 mg / mm and thus do not achieve adequate homogenization of the fibers in the concrete even when using a water-dispersible size can be.

In der Druckschrift EP 1 788 146 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung wasserdispergierbarer Kohlenstofffasern offenbart. Diese werden durch Bündeln einer Vielzahl von Einzelfasern gebildet. Dabei entstehen auch hier Bündel von 24000 bis 48000 Filamenten. Es wurde die Schlichtezusammensetzung und der -gehalt zur Optimierung der Oberflächenenergie der Fasern ermittelt. Die Faserbündel werden zu Kurzfasern mit einer Länge in einem Bereich von 3 mm bis 30 mm für thermoplastische Anwendungen weiterverarbeitet. Auch hier handelt es sich um sehr schwere Ausgangsfaserbündel, wodurch keine ausreichende Homogenisierung der Kurzfasern im Beton erzielt werden kann.In the pamphlet EP 1 788 146 B1 discloses a method for making water dispersible carbon fibers. These are formed by bundling a large number of individual fibers. This also produces bundles of 24,000 to 48,000 filaments. The size composition and content was determined to optimize the surface energy of the fibers. The fiber bundles are processed into short fibers with a length in a range from 3 mm to 30 mm for thermoplastic applications. Here, too, the starting fiber bundles are very heavy, which means that sufficient homogenization of the short fibers in the concrete cannot be achieved.

Verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Faserspreizen sind beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2005 052 660 B3 , WO 2011 1429 90 A1 , DE 10 2007 012 607 B4 und DE 10 2009 056 197 A1 bekannt.Various methods and devices for fiber spreading are, for example, from the publications DE 10 2005 052 660 B3 , WO 2011 1429 90 A1 , DE 10 2007 012 607 B4 and DE 10 2009 056 197 A1 known.

Aufgrund der hohen Materialkosten für Faserbündel mit einer Filamentzahl von maximal 3000 Einzelfilamenten werden wasserdispersible Carbon-Kurzfasern bisher üblicherweise aus Faserbündeln mit mindestens 24000 Einzelfilamenten, sogenannten Heavy-Tows, hergestellt. Bei der Verarbeitung solcher geschnittener Heavy-Tows kann aufgrund der sehr großen Faserbündel, selbst unter Verwendung wasserdispersibler Schlichte, jedoch keine ausreichende Homogenisierung der Fasern im Beton erzielt werden.Due to the high material costs for fiber bundles with a filament count of a maximum of 3000 individual filaments, water-dispersible short carbon fibers have so far usually been produced from fiber bundles with at least 24,000 individual filaments, so-called heavy tows. When processing such cut heavy tows, however, due to the very large fiber bundles, even when using water-dispersible size, sufficient homogenization of the fibers in the concrete cannot be achieved.

Aus der Druckschrift DE 10 2015 206 389 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung der Filamentanzahl von Faserrovings bekannt, in der erste Faserrovings zunächst gespreizt werden, indem sie über einen die Spreizeinrichtung ausbildenden zylinderförmigen Körper gezogen werden, der eine Mehrzahl von sich in Umfangsrichtung des Körpers aufteilenden Umfangsnuten aufweist. Indem der Faserroving unter Zugspannung in Umfangsrichtung des zylinderförmigen Körpers über diesen gezogen wird, laufen die Fasern des Rovings in die sich fächerförmig aufteilenden Umfangsnuten des zylinderförmigen Körpers ein, folgen den Umfangsnuten und werden auf diese Weise gespreizt.From the pamphlet DE 10 2015 206 389 A1 a device for reducing the number of filaments of fiber rovings is known, in which the first fiber rovings are first spread by being pulled over a cylindrical body forming the spreading device, which has a plurality of circumferential grooves dividing in the circumferential direction of the body. As the fiber roving is pulled over the cylindrical body under tension in the circumferential direction, the fibers of the roving run into the fan-shaped dividing circumferential grooves of the cylindrical body, follow the circumferential grooves and are spread in this way.

Direkt nach diesem sehr speziellen Spreizen jeweils in mindestens zwei zweite, parallel zueinander verlaufende Faserrovings mit reduzierter Filamentzahl mittels wenigstens eines Schneidmittels aufgeteilt werden. Dieser Längsschneidvorgang ist vermutlich nur durch die vorhergehende Spreizung mittels der Nuten möglich, die den Fasern eine Vorzugsausrichtung in Längsrichtung verleiht. Ansonsten würde zumindest ein Teil der Fasern in diesem Prozessschritt auch querdurchtrennt werden, wodurch die zweiten Faserrovings in ihrer Länge instabil wären und sich Förderprobleme ergeben würden.Immediately after this very special spreading, they are divided into at least two second, parallel fiber rovings with a reduced number of filaments by means of at least one cutting means. This longitudinal cutting process is presumably only possible due to the previous expansion by means of the grooves, which gives the fibers a preferential alignment in the longitudinal direction. Otherwise at least some of the fibers would also be cut transversely in this process step, as a result of which the length of the second fiber rovings would be unstable and conveying problems would arise.

Die bekannte Vorrichtung weist ferner eine weitere Schneideinrichtung zum Schneiden der zweiten Faserrovings weitgehend quer zu ihrer Längsrichtung auf. Dabei entstehen Faserbandabschnitte, die schnell zu Einzelfasern zerfallen können. Die Schneideinrichtung ist ein Bauteil einer automatisierten Vorrichtung zur Herstellung eines Abschnitte des zweiten Faserrovings und Harzwerkstoff aufweisenden Halbzeugbandes. Hierbei fallen die erzeugten Faserbandabschnitte direkt auf eine auf einer Trägerfolie vorher aufgebrachte Harz-Härter-Mischung, wonach die Faserbandabschnitte mittels mehreren Walzen oder Rollen in den Matrixwerkstoff eingearbeitet werden. Dabei muss sehr vorsichtig vorgegangen werden, da sonst die Faserbandabschnitte noch bei deren Einarbeitung in den Matrixwerkstoff auseinanderfallen und damit die gewünschte Bauteilfestigkeit nicht eintritt.The known device also has a further cutting device for cutting the second fiber rovings largely transversely to their longitudinal direction. This creates sliver sections that can quickly disintegrate into individual fibers. The cutting device is a component of an automated device for producing a section of the second fiber roving and resin material-containing semi-finished product strip. In this case, the sliver sections produced fall directly onto a resin-hardener mixture previously applied to a carrier film, after which the sliver sections are incorporated into the matrix material by means of several rollers. In doing so, one must proceed very carefully, since otherwise the sliver sections will fall apart while they are being incorporated into the matrix material and the desired component strength will therefore not occur.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Carbonfaserelementen zur Verfügung zu stellen, welche mit einer vorteilhaften Homogenisierung stabil in einem aushärtbaren Material verteilt werden können. Ferner sollen ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung von derartigen Carbonfaserelementen und eine entsprechende Vorrichtung zum Verstärken von Bauteilen mit Hilfe solcher Carbonfaserelemente zur Verfügung gestellt werden.The invention is therefore based on the object of providing a method and a device for the production of carbon fiber elements, which with an advantageous Homogenization can be stably distributed in a hardenable material. Furthermore, a corresponding method for producing such carbon fiber elements and a corresponding device for reinforcing components with the aid of such carbon fiber elements are to be made available.

Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserstrangabschnitten gelöst, bei welchem in einem kontinuierlichen Prozess mit konstanter Bahnwarengeschwindigkeit folgende Schritte in folgender Reihenfolge ausgeführt werden, dass

- wenigstens ein Carbonfaserband bereitgestellt wird;
- das wenigstens eine Carbonfaserband in einer Faserverarbeitungsrichtung abgezogen und mittels beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband aufgespreizt wird;
- das wenigstens eine gespreizte Carbonfaserband zu wenigstens einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband verfestigt wird;
- das wenigstens eine gespreizte und verfestigte Carbonfaserband längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge längsdurchtrennt wird; und
- die Carbonfaserstränge quer zu der Faserverarbeitungsrichtung zu Carbonfaserstrangabschnitten querdurchtrennt werden.

This object is achieved on the one hand by a method for the production of carbon fiber strand sections in which the following steps are carried out in the following sequence in a continuous process with constant web material speed

- At least one carbon fiber tape is provided;
- The at least one carbon fiber band is drawn off in a fiber processing direction and spread by means of heated spreading bars that are unstructured along their circumference to form at least one spread carbon fiber band;
the at least one spread carbon fiber band is solidified to form at least one spread and solidified carbon fiber band;
the at least one spread and solidified carbon fiber band is severed lengthways along the fiber processing direction into several parallel carbon fiber strands; and
- The carbon fiber strands are severed transversely to the fiber processing direction to form carbon fiber strand sections.

Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete wenigstens eine Carbonfaserband wird in Form eines sogenannten Rovings zur Verfügung gestellt. Rovings sind Bündel oder Stränge aus vielen einzelnen Endlosfasern, den sogenannten Filamenten, die überwiegend parallel und gestreckt aneinander liegen. Die erfindungsgemäß für das wenigstens eine Carbonfaserband verwendeten Rovings können jeweils ein nur aus Carbonfasern ausgebildeter Carbonfaserroving oder auch ein Carbonfasern vorzugsweise überwiegend enthaltender Hybridroving sein, welcher beispielsweise neben Carbonfasern als Verstärkungsfasern auch thermoplastische Fasern aufweist.The at least one carbon fiber tape used in the method according to the invention is provided in the form of a so-called roving. Rovings are bundles or strands of many individual continuous fibers, the so-called filaments, which are mostly parallel and stretched together. The rovings used according to the invention for the at least one carbon fiber ribbon can each be a carbon fiber roving made only of carbon fibers or a hybrid roving, preferably predominantly containing carbon fibers, which, for example, also has thermoplastic fibers in addition to carbon fibers as reinforcing fibers.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird wenigstens ein Carbonfaserband mit einer Filamentanzahl von bevorzugt wenigstens 12000, besonders bevorzugt wenigstens 24000 verwendet.In the method according to the invention, at least one carbon fiber tape with a number of filaments of preferably at least 12,000, particularly preferably at least 24,000, is used.

Vorteilhafterweise wird das wenigstens eine Carbonfaserband drehungsfrei bereitgestellt. Dies wird insbesondere durch einen Tangentialabzug des wenigstens einen Carbonfaserbandes von einer Spule gewährleistet.The at least one carbon fiber band is advantageously provided in a rotation-free manner. This is ensured in particular by a tangential withdrawal of the at least one carbon fiber band from a reel.

Insbesondere wird das wenigstens eine Carbonfaserband mit einer konstanten Zugspannung bereitgestellt. Sowohl der Tangentialabzug als auch die konstante Zugspannung werden bevorzugt durch den Einsatz eines elektronisch geregelten Gatters erfüllt.In particular, the at least one carbon fiber band is provided with a constant tensile stress. Both the tangential withdrawal and the constant tensile stress are preferably achieved through the use of an electronically controlled gate.

Beim Bereitstellen des wenigstens einen Carbonfaserbandes sind Faserdrehungen zu vermeiden. Optional können zusätzlich Faserführungselemente für einen optimalen Abzug des wenigstens einen Carbonfaserbandes verwendet werden.When providing the at least one carbon fiber band, fiber rotations are to be avoided. Optionally, fiber guide elements can also be used for an optimal withdrawal of the at least one carbon fiber band.

Zum Aufspreizen des wenigstens einen Carbonfaserbandes zu einem gespreizten Carbonfaserband wird das wenigstens eine Carbonfaserband von einem Gatter kommend über ein Lieferwerk einem Spreizmodul zugeführt. Beim Aufspreizen erfolgt ein Auseinanderfächern der Filamente des wenigstens einen Carbonfaserbandes.In order to spread the at least one carbon fiber band to form a spread carbon fiber band, the at least one carbon fiber band coming from a gate is fed to a spreading module via a delivery mechanism. When spreading, the filaments of the at least one carbon fiber ribbon are fanned out.

Das Spreizmodul ist vorzugsweise variabel einstellbar und ebenfalls vorzugsweise beheizbar. Von Vorteil ist es auch, wenn mit dem Spreizmodul gezielt die jeweilige Spreiztiefe einstellbar ist. Mit dem Spreizmodul wird das wenigstens eine Carbonfaserband auf eine definierte Breite aufgespreizt. Ein vorzugsweise eingesetztes weiteres Lieferwerk zieht das entstehende gespreizte Carbonfaserband mit hoher Spannung durch das Spreizmodul und baut durch eine vorzugsweise omegaförmige Anordnung der Lieferwerkswalzen und eine große Umschlingung die aufgebaute Spannung wieder ab.The expansion module is preferably variably adjustable and also preferably heatable. It is also advantageous if the respective spreading depth can be adjusted in a targeted manner with the spreading module. With the expansion module, the at least one carbon fiber strip is expanded to a defined width. A further delivery mechanism, which is preferably used, pulls the resulting expanded carbon fiber ribbon with high tension through the expansion module and relieves the tension that has built up again by means of a preferably omega-shaped arrangement of the delivery mechanism rollers and a large wrap.

In dem wenigstens einen schmalen, teilweise ungleichmäßig breiten Carbonfaserband liegen die Carbonfaserfilamente zunächst mit unterschiedlicher Spannung vor. Beim Aufspreizen zu dem gespreizten Carbonfaserband werden die Carbonfaserfilamente zu einem vergleichmäßigten Band mit definiertem Flächengewicht ausgerichtet. Daraus können in den folgenden Prozessschritten besonders feine Carbonfaserstränge und daraus wiederum Carbonfaserstrangabschnitte erzeugt werden.In the at least one narrow, partially unevenly wide carbon fiber ribbon, the carbon fiber filaments are initially present with different tension. When spreading to form the spreading carbon fiber ribbon, the carbon fiber filaments are aligned to form a uniform ribbon with a defined weight per unit area. From this, in the following process steps, particularly fine carbon fiber strands and, in turn, carbon fiber strand sections can be produced.

Die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes kann kraft- und/oder stoffschlüssig erfolgen. Das gespreizte Carbonfaserband wird zur Verfestigung vorzugsweise mit einem Benetzungsstoff, beispielsweise auf polymerer Basis, benetzt/beschichtet. Man spricht hier vom sogenannten Coating. Als Benetzungsstoff eignen sich vor allem Epoxidharze, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und/oder ausgewählte Minerale. In Abhängigkeit vom ausgewählten Benetzungsstoff sowie dessen Verarbeitungseigenschaften kommen verschiedene Verfahren zum kontinuierlichen Auftrag auf das gespreizte Carbonfaserband infrage.The strengthening of the spread carbon fiber tape can take place in a non-positive and / or cohesive manner. The spread carbon fiber ribbon is preferably wetted / coated with a wetting agent, for example based on a polymer, for solidification. One speaks here of the so-called coating. Epoxy resins, styrene-butadiene rubber (SBR) and / or selected minerals are particularly suitable as wetting agents. Depending on the selected wetting agent and its processing properties, various processes can be used for continuous application to the spread carbon fiber ribbon.

Vorteilhafterweise wird das gespreizte Carbonfaserband durch Aufbringen wenigstens eines als Benetzungsstoff verwendeten Fluids oder Eintauchen des gespreizten Carbonfaserbandes in wenigstens ein Fluid und nachfolgende Trocknung und/oder Härtung des mit dem Fluid versehenen gespreizten Carbonfaserbandes zu einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband verfestigt.Advantageously, the spread carbon fiber tape is consolidated into a spread and solidified carbon fiber tape by applying at least one fluid used as a wetting agent or by immersing the spread carbon fiber tape in at least one fluid and subsequent drying and / or hardening of the spread carbon fiber tape provided with the fluid.

Das Fluid kann beispielsweise über eine Rolle auf das gespreizte Carbonfaserband aufgetragen werden. Von Vorteil ist dabei, wenn das Fluid genau dosiert werden kann und mit einem hohen Durchdringungsgrad aufgebracht wird.The fluid can, for example, be applied to the spread carbon fiber tape via a roller. It is advantageous if the fluid can be dosed precisely and is applied with a high degree of penetration.

Alternativ kann das Fluid auf das gespreizte Carbonfaserband mittels eines Sprühkopfes aufgesprüht werden. Auch hier ist eine sehr exakte Dosierung möglich, und durch das kontaktlose Auftragen wird die Anlagenverschmutzung minimiert.Alternatively, the fluid can be sprayed onto the spread carbon fiber ribbon by means of a spray head. Here, too, very precise dosing is possible, and the non-contact application minimizes system contamination.

Eine weitere Alternative ist die Förderung des gespreizten Carbonfaserbandes durch ein Eintauchbad, welches das Fluid enthält. Mit dieser Variante kann vorteilhafterweise ein vollständiges Benetzen des gespreizten Carbonfaserbandes mit dem Fluid erfolgen.Another alternative is to convey the spread carbon fiber ribbon through an immersion bath that contains the fluid. With this variant, complete wetting of the spread carbon fiber strip with the fluid can advantageously take place.

In einer anderen Ausführungsform erfolgt eine einseitige Benetzung des gespreizten Carbonfaserbandes mit Fluid mittels einer einseitig in ein das Fluid enthaltendes Tauchbad eingetauchten rotierenden Rolle, die durch ihre Rotation das Fluid aus dem Tauchbad mitnimmt und das über die Rolle geführte gespreizte Carbonfaserband mit diesem mitgenommenen Fluid benetzt.In another embodiment, the spread carbon fiber ribbon is wetted on one side with fluid by means of a rotating roller immersed on one side in an immersion bath containing the fluid, which rotates and removes the fluid from the immersion bath and wets the expanded carbon fiber ribbon guided over the roller with this entrained fluid.

Durch die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes wird ein sauberer, reproduzierbarer Trennvorgang des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes gewährleistet.The solidification of the expanded carbon fiber band ensures a clean, reproducible separation process of the expanded and solidified carbon fiber band.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge durchtrennt.In a preferred embodiment of the invention, the spread and solidified carbon fiber ribbon is cut into several parallel carbon fiber strands along the fiber processing direction.

Das Längsdurchtrennen überführt das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband in nebeneinander liegende Carbonfaserstränge mit einer geforderten Feinheit (100 tex ≤ Tt ≤ 200 tex). Unter der Voraussetzung, dass sich ein Carbonfaser-Heavy-Tow (50 k, 3300 tex) auf eine vorteilhafte Breite von 50 mm reproduzierbar aufspreizen lässt, resultiert für das Längsdurchtrennen des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes eine Schnittbreite b je Spur von 1,5 mm ≤ b ≤ 3 mm (für 100 tex ≤ Ttziel ≤ 200 tex). Für das Erzeugen solch schmaler Tapestreifen muss ein sauberer Trennvorgang gewährleistet werden. Dies birgt besonders große Herausforderungen hinsichtlich des Werkzeugverschleißes beim Durchtrennen querlaufender Carbonfasern.The longitudinal cutting converts the spread and solidified carbon fiber ribbon into adjacent carbon fiber strands with the required fineness (100 tex ≤ Tt ≤ 200 tex). Provided that a carbon fiber heavy tow (50 k, 3300 tex) can be expanded reproducibly to an advantageous width of 50 mm, a cutting width b per track of 1.5 mm ≤ results for the longitudinal severing of the expanded and solidified carbon fiber ribbon b ≤ 3 mm (for 100 tex ≤ Ttziel ≤ 200 tex). A clean cutting process must be guaranteed to produce such narrow strips of tape. This poses particularly great challenges with regard to tool wear when cutting through cross-running carbon fibers.

Für diesen mechanischen Trennvorgang kommen verschiedene Verfahren infrage:

Zum einen kann das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband über wenigstens eine ortsfeste Klinge geführt werden. Hier ist das Durchtrennen ein Durchschneiden. Diese Realisierung ist besonders kostengünstig.

Various methods can be used for this mechanical separation process:

On the one hand, the spread and solidified carbon fiber tape can be guided over at least one stationary blade. Here the severing is a cutting through. This implementation is particularly cost-effective.

Alternativ kann das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband für dessen Längsdurchtrennung über wenigstens ein rotierendes Rundmesser geführt werden und damit auch längsdurchschnitten werden. Bei dieser Methode ist der Werkzeugverschleiß geringer und es wirken nur geringe Schnittkräfte.Alternatively, the spread and solidified carbon fiber ribbon can be guided over at least one rotating circular knife for its longitudinal severing and thus also be cut longitudinally. With this method, tool wear is less and only low cutting forces act.

Eine weitere Möglichkeit des Durchtrennens ist die Förderung des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes über eine Ultraschall-Klinge mit alternierender Auf-Ab-Bewegung relativ zum Carbonfaserband. Hierbei wirken vorteilhafterweise ebenfalls nur geringe Schnittkräfte.Another possibility of severing is to convey the spread and solidified carbon fiber ribbon via an ultrasonic blade with an alternating up-and-down movement relative to the carbon fiber ribbon. Advantageously, only small cutting forces act here.

Zur Erzeugung der Carbonfaserstrangabschnitte sind die längs der Faserverarbeitungsrichtung verlaufenden Carbonfaserstränge nach dem Längsdurchtrennen quer zur Faserorientierung auf die gewünschte Faserlänge zu durchtrennen. Zur Gewährleistung einer hohen Anlagen-Produktivität soll dies ohne Unterbrechung des kontinuierlichen Prozesses geschehen. Man spricht hier vom sogenannten Cut on the fly.In order to produce the carbon fiber strand sections, the carbon fiber strands running along the fiber processing direction are to be cut through to the desired fiber length after being cut longitudinally, transversely to the fiber orientation. To ensure high plant productivity, this should be done without interrupting the continuous process. One speaks here of the so-called cut on the fly.

Für den mechanischen Trennvorgang quer zur Faserrichtung kommen verschiedene Verfahren infrage.Various processes can be used for the mechanical cutting process across the grain.

Zum einen kann das Durchtrennen mittels wenigstens einer Klinge erfolgen, welche in der Art einer Guillotine alternierende Bewegungen quer zu den Carbonfasersträngen ausübt. Hier werden die längsgeschnittenen Carbonfaserstränge also querdurchschnitten. Diese Realisierung ist kostengünstig.On the one hand, the severing can take place by means of at least one blade which, in the manner of a guillotine, exerts alternating movements across the carbon fiber strands. Here the lengthways cut carbon fiber strands are cut across. This implementation is inexpensive.

Alternativ kann das Durchtrennen der Carbonfaserstränge mittels wenigstens eines Rundmessers erfolgen, welches alternierende Bewegungen quer zu den Carbonfasersträngen ausübt. Diese Realisierung ist vorteilhafterweise mit einem geringen Werkzeugverschleiß verbunden.Alternatively, the cutting through of the carbon fiber strands can be carried out by means of at least one circular knife which exerts alternating movements across the carbon fiber strands. This implementation is advantageously associated with low tool wear.

Eine weitere Möglichkeit ist das Durchtrennen der Carbonfaserstränge mittels einer sich kontinuierlich drehenden Messerwelle. Bei diesem kontinuierlichen Trennverfahren erfolgt vorteilhafterweise keine Relativbewegung zwischen Schneide und den Carbonfasersträngen.Another possibility is to cut through the carbon fiber strands using a continuously rotating knife shaft. In this continuous cutting process, there is advantageously no relative movement between the cutting edge and the carbon fiber strands.

Die Carbonfaserstrangabschnitte weisen bevorzugt eine Breite von 5 mm bis 50 mm auf. The carbon fiber strand sections preferably have a width of 5 mm to 50 mm.

Es ist besonders günstig, wenn das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband oder die Carbonfaserstränge oder die Carbonfaserstrangabschnitte getrocknet und polymerisiert oder mineralisiert wird bzw. werden.It is particularly favorable if the spread and solidified carbon fiber tape or the carbon fiber strands or the carbon fiber strand sections is or are dried and polymerized or mineralized.

Vorteilhafterweise werden die Carbonfaserstrangabschnitte durch eine solche Nachbearbeitung separiert, was bewirkt, dass sie im späteren Verbundwerkstoff keine Agglomerate ausbilden. Die Fließfähigkeit eines aushärtbaren Materials, welches die erfindungsgemäßen Carbonfaserstrangabschnitte enthält, wird somit nicht negativ beeinflusst, und eine nahezu homogene Faserverteilung wird erreicht.The carbon fiber strand sections are advantageously separated by such post-processing, which has the effect that they do not form any agglomerates in the later composite material. The flowability of a curable material which contains the carbon fiber strand sections according to the invention is therefore not adversely affected, and an almost homogeneous fiber distribution is achieved.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden Additive auf die Carbonfaserstrangabschnitte aufgetragen, die im Verbundwerkstoff eine optimale Haftung zwischen den Fasern und dem aushärtbaren Material gewährleisten.In a preferred embodiment, additives are applied to the carbon fiber strand sections, which ensure optimal adhesion between the fibers and the curable material in the composite material.

Die Nachbearbeitung der Carbonfaserstrangabschnitte durch Trocknen und Polymerisieren oder Mineralisieren ist in hohem Maß vom ausgewählten Polymer-basierten System zur Verfestigung abhängig. Daher kann die Nachbearbeitung optional in der Prozesskette hinter den Prozessschritt der Verfestigung integriert werden. Dies kann von Vorteil sein, wenn beispielsweise ein klebendes Carbonfaserband bei den Trennprozessen nicht optimal getrennt werden kann. Gegebenenfalls kann nach der Verfestigung eine zusätzliche Materialtrocknung und/oder Aushärtung erfolgen.The post-processing of the carbon fiber strand sections by drying and polymerizing or mineralizing depends to a large extent on the selected polymer-based system for consolidation. Therefore, post-processing can optionally be integrated in the process chain after the solidification process step. This can be advantageous if, for example, an adhesive carbon fiber tape cannot be optimally separated during the separation process. If necessary, additional material drying and / or hardening can take place after solidification.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine Carbonfaserband eine Feinheit von ≥ 800 tex auf und wird das wenigstens eine Carbonfaserband zu dem gespreizten Carbonfaserband mindestens unter Verdopplung der jeweiligen Breite aufgespreizt. Eine Feinheit von 800 tex entspricht einem 12 k - Carbonfaserroving, also einem Carbonfaserroving mit 12000 Filamenten.In a preferred embodiment of the invention, the at least one carbon fiber ribbon has a fineness of 800 800 tex and the at least one carbon fiber ribbon is expanded to form the expanded carbon fiber ribbon at least doubling the respective width. A fineness of 800 tex corresponds to a 12k carbon fiber roving, i.e. a carbon fiber roving with 12,000 filaments.

Es können zwar grundsätzlich bei der vorliegenden Erfindung auch Carbonfaserbänder mit geringerer Filamentanzahl und damit geringerer Feinheit, wie beispielsweise 1 k - Carbonfaserrovings, die nur 1000 Filamente aufweisen, eingesetzt werden. Jedoch sind diese entsprechend teurer als Carbonrovings mit höherer Filamentanzahl. Die vorliegende Erfindung bietet dagegen den Vorteil, dass ohne Weiteres als Ausgangsmaterial Carbonfaserbänder mit höherer Filamentanzahl genutzt werden können und damit kostengünstiger produziert werden kann, da das wenigstens eine Carbonfaserband und damit dessen Filamente im Prozess aufgespreizt und nachfolgend durchtrennt werden.In principle, in the present invention, carbon fiber ribbons with a lower number of filaments and thus a lower fineness, such as, for example, 1 k carbon fiber rovings which only have 1000 filaments, can be used. However, these are correspondingly more expensive than carbon rovings with a higher number of filaments. The present invention, on the other hand, offers the advantage that carbon fiber tapes with a higher number of filaments can easily be used as the starting material and can thus be produced more cost-effectively, since the at least one carbon fiber tape and thus its filaments are spread open in the process and subsequently cut.

Besonders eignen sich für das wenigstens eine Carbonfaserband bei der vorliegenden Erfindung sogenannte Heavy Tows, also Carbonfaserrovings mit einer Filamentanzahl von mehr als 24 k, die kostengünstiger als Carbonfaserrovings mit geringerer Filamentanzahl angeboten werden.Particularly suitable for the at least one carbon fiber tape in the present invention are so-called heavy tows, that is to say carbon fiber rovings with a number of filaments of more than 24 k, which are offered more cost-effectively than carbon fiber rovings with a smaller number of filaments.

Besonders geeignet ist der Einsatz von beispielsweise 50 k - Carbonfaserrovings (also mit 50000 Filamenten) oder Carbonfaserrovings mit noch größerer Filamentanzahl, die als Carbonfaserbänder bzw. als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden. 50 k - Carbonfaserrovings haben typischerweise eine Feinheit von 3400 tex.The use of, for example, 50 k carbon fiber rovings (that is to say with 50,000 filaments) or carbon fiber rovings with an even greater number of filaments, which are used as carbon fiber ribbons or as starting material for the method according to the invention, is particularly suitable. 50 k - carbon fiber rovings typically have a fineness of 3400 tex.

Es ist aber auch möglich, als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren mehrere Carbonrovings bzw. Carbonfaserbänder einzusetzen. So können beispielsweise anstelle eines 50 k - Carbonfaserrovings, 2 x 25 k - Carbonfaserrovings oder 4 x 12,5 k - Carbonfaserrovings als Ausgangsmaterial des Prozesses, das heißt als das wenigstens eine Carbonfaserband, verwendet werden.However, it is also possible to use several carbon rovings or carbon fiber tapes as the starting material for the method according to the invention. For example, instead of a 50 k carbon fiber roving, 2 x 25 k carbon fiber rovings or 4 x 12.5 k carbon fiber rovings can be used as the starting material of the process, that is to say as the at least one carbon fiber ribbon.

Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Verstärken von Bauteilen gelöst, bei welchem mit einer Ausführungsform des oben beschriebenen Verfahrens Carbonfaserstrangabschnitte hergestellt und in ein aushärtbares Material eingebracht werden.The object is also achieved by a method for reinforcing components, in which, using an embodiment of the method described above, carbon fiber strand sections are produced and introduced into a hardenable material.

Vorzugsweise werden bei diesem Verfahren die Carbonfaserstrangabschnitte in Frischbeton, in Frischmörtel, in flüssiges Bitumen, in flüssigen Teer und/oder in flüssigen Kunststoff eingebracht.In this process, the carbon fiber strand sections are preferably introduced into fresh concrete, fresh mortar, liquid bitumen, liquid tar and / or liquid plastic.

Vorteilhafterweise kann durch das Einbringen der Carbonfaserstrangabschnitte in ein aushärtbares Material eine Steigerung der mechanischen Festigkeiten des aushärtbaren Materials und in Bezug auf Betonanwendungen eine Verringerung des Rissfortschritts im Fall eines Bauteilversagens erzielt werden.Advantageously, by introducing the carbon fiber strand sections into a curable material, an increase in the mechanical strengths of the curable material and, with regard to concrete applications, a reduction in crack propagation in the event of component failure can be achieved.

Die aus dem wenigstens einen Carbonfaserband bzw. Carbonfaserroving ausgebildeten Carbonfaserstrangabschnitte, die jeweils - wie das ursprüngliche Carbonfaserband - in Faserlängsrichtung eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen, liegen in dem aushärtbaren Material ungeordnet vor. Durch die Vermischung der Carbonfaserstrangabschnitte mit dem aushärtbaren Material liegen die Carbonfaserstrangabschnitte auch später, in dem aus dem aushärtbaren Material und den darin eingebrachten Carbonfaserstrangabschnitten ausgebildeten ausgehärteten Materialverbund in ungeordneter Anordnung vor, was bewirkt, dass sich deren Steifigkeit und Festigkeit in allen Raumrichtungen des ausgehärteten Materialverbundes auswirkt. Damit kann ein aus dem ausgehärteten Materialverbund hergestelltes Bauteil vorteilhaft in allen Raumrichtungen hoch mechanisch beansprucht werden.The carbon fiber strand sections formed from the at least one carbon fiber ribbon or carbon fiber roving, each of which - like the original carbon fiber ribbon - have high rigidity and strength in the longitudinal direction of the fibers, are present in the curable material in a disordered manner. Due to the mixing of the carbon fiber strand sections with the curable material, the carbon fiber strand sections are also later in a disordered arrangement in the cured material composite formed from the curable material and the carbon fiber strand sections introduced therein, which has the effect that their rigidity and strength have an effect in all spatial directions of the cured material composite . This means that a Cured composite material produced component are advantageously highly mechanically stressed in all spatial directions.

Durch die Verwendung von Carbonfaserstrangabschnitten als Armierung kann wesentlich filigraner gebaut werden, die Durchtrocknungszeit ist wesentlich geringer und die Verteilung der Armierung beispielsweise im Beton ist wesentlich homogener und muss nicht erst an entsprechender Stelle vorfixiert werden. Dies ermöglicht eine höhere Flexibilität ebenso wie eine signifikante Reduzierung des Vorbereitungsaufwandes zur Einbringung und Fixierung bei gleichzeitiger Reduzierung von konventionellen Stahlarmierungen bei der Betonverarbeitung und eine größere Gestaltungsvielfalt bei der Bauteilauslegung.By using carbon fiber strand sections as reinforcement, the building can be built much more filigree, the drying time is much shorter and the distribution of the reinforcement, for example in concrete, is much more homogeneous and does not have to be fixed in advance at the appropriate point. This enables a higher flexibility as well as a significant reduction of the preparation effort for the introduction and fixation with a simultaneous reduction of conventional steel reinforcement in the concrete processing and a greater design variety in the component design.

Die Aufgabe wird ferner durch eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung gelöst, welche in einer Faserverarbeitungsrichtung nacheinander

- ein Carbonfaserbandbereitstellungsmodul zum Bereitstellen wenigstens eines Carbonfaserbandes;
- ein Spreizmodul mit beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zum Aufspreizen des wenigstens einen Carbonfaserbandes zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband;
- wenigstens ein Verfestigungsmodul zum Verfestigen des wenigstens einen gespreizten Carbonfaserbandes zu wenigstens einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband;
- ein Längstrennmodul zum Durchtrennen des wenigstens einen gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge;
- ein Quertrennmodul zum Durchtrennen der Carbonfaserstränge quer zu der Faserverarbeitungsrichtung in Carbonfaserstrangabschnitte; und
- wenigstens eine einen durchgehenden Materialtransport von dem Carbonfaserbandbereitstellungsmodul bis zu dem Quertrennmodul ermöglichende Materialfördereinrichtung

aufweist.The object is also achieved by a carbon fiber strand section production device, which one after the other in a fiber processing direction

- A carbon fiber band supply module for providing at least one carbon fiber band;
a spreading module with heated spreading bars unstructured along their circumference for spreading the at least one carbon fiber band to form at least one spread carbon fiber band;
- At least one consolidation module for consolidating the at least one expanded carbon fiber band to form at least one expanded and consolidated carbon fiber band;
- A longitudinal cutting module for cutting the at least one spread and solidified carbon fiber band along the fiber processing direction into several parallel carbon fiber strands;
- A transverse cutting module for cutting the carbon fiber strands transversely to the fiber processing direction into carbon fiber strand sections; and
- At least one material conveying device that enables continuous material transport from the carbon fiber band supply module to the transverse cutting module

having.

Das Carbonfaserbandbereitstellungsmodul gewährleistet bevorzugt eine drehungsfreie Bereitstellung des Carbonfaserbandes. Dies wird insbesondere durch einen Tangentialabzug mit einer konkreten Zugspannung des wenigstens einen Carbonfaserbandes von einer Spule gewährleistet. Besonders bevorzugt ist das Carbonfaserbandbereitstellungsmodul ein elektronisch geregeltes Gatter. Das Carbonfaserbandbereitstellungsmodul kann zusätzlich Faserführungselemente für einen optimalen Abzug des wenigstens einen Carbonfaserbandes aufweisen.The carbon fiber tape provision module preferably ensures a rotation-free provision of the carbon fiber tape. This is ensured in particular by a tangential take-off with a specific tensile stress of the at least one carbon fiber strip from a spool. The carbon fiber sliver supply module is particularly preferably an electronically controlled gate. The carbon fiber band supply module can additionally have fiber guide elements for an optimal withdrawal of the at least one carbon fiber band.

Zum Aufspreizen des wenigstens einen Carbonfaserbandes zu einem gespreizten Carbonfaserband wird der wenigstens eine Carbonfaserband vom Gatter kommend vorzugsweise über ein Lieferwerk einem Spreizmodul zugeführt.To spread open the at least one carbon fiber band to form a spread carbon fiber band, the at least one carbon fiber band coming from the gate is preferably fed to a spreading module via a delivery mechanism.

Das Spreizmodul weist bevorzugt mehrere unabhängig voneinander in ihrer Höhe und/oder Temperatur einstellbare Umlenkstäbe auf. Die Spreiztiefe ist somit vorteilhafterweise gezielt einstellbar.The expansion module preferably has a plurality of deflection rods whose height and / or temperature can be adjusted independently of one another. The spreading depth can thus advantageously be adjusted in a targeted manner.

Das wenigstens eine Carbonfaserband wird in dem Spreizmodul auf eine definierte Breite aufgespreizt. Bevorzugt wird das wenigstens eine Carbonfaserband maximal gespreizt.The at least one carbon fiber band is spread out to a defined width in the spreading module. The at least one carbon fiber band is preferably spread to the maximum extent.

Bevorzugt ist zwischen dem Spreizmodul und dem Verfestigungsmodul ein Lieferwerk mit einem omegaförmigen Bandverlauf angeordnet, welches das Carbonfaserband mit hoher Spannung durch das Spreizmodul zieht und durch die omegaförmige Anordnung der Lieferwerkswalzen und eine große Umschlingung die aufgebaute Spannung wieder abbaut.A delivery mechanism with an omega-shaped belt course is preferably arranged between the expansion module and the consolidation module, which pulls the carbon fiber ribbon with high tension through the expansion module and relieves the built-up tension through the omega-shaped arrangement of the delivery mechanism rollers and a large wrap.

Die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes in dem Verfestigungsmodul kann kraft- und/oder stoffschlüssig erfolgen. Dabei bedeutet der Ausdruck „verfestigt“ in der vorliegenden Erfindung nicht, dass schon eine Endeverfestigung, bei beispielsweise eine Trocknung und/oder Härtung eines auf das gespreizte Carbonfaserband aufgebrachten Benetzungsstoffes vorliegen muss. Eine solche Trocknung und/oder Härtung kann auch nachfolgend noch erfolgen.The strengthening of the spread carbon fiber tape in the strengthening module can take place in a non-positive and / or cohesive manner. In this context, the expression “solidified” in the present invention does not mean that an end solidification, for example drying and / or hardening of a wetting agent applied to the spread carbon fiber ribbon, must already be present. Such drying and / or hardening can also take place subsequently.

Das gespreizte Carbonfaserband wird in dem Verfestigungsmodul vorzugsweise mit einem Benetzungsstoff, meist auf polymerer Basis, benetzt/beschichtet, es findet ein sogenanntes Coating statt. Als Benetzungsstoff eignen sich vor allem Epoxidharze, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) oder ausgewählte Minerale. In Abhängigkeit vom ausgewählten Benetzungsstoff sowie dessen Verarbeitungseigenschaften, kommen verschiedene Verfahren zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Auftrag auf das gespreizte Carbonfaserband infrage.The spread carbon fiber tape is preferably wetted / coated in the consolidation module with a wetting agent, usually based on polymers, a so-called coating takes place. Epoxy resins, styrene-butadiene rubber (SBR) or selected minerals are particularly suitable as wetting agents. Depending on the selected wetting agent and its processing properties, there are various methods of continuous or discontinuous application to the spread carbon fiber ribbon.

Vorteilhafterweise wird das gespreizte Carbonfaserband durch Aufbringen wenigstens eines Fluids oder Eintauchen des gespreizten Carbonfaserbandes in wenigstens ein Fluid verfestigt.The spread carbon fiber band is advantageously solidified by applying at least one fluid or by immersing the spread carbon fiber band in at least one fluid.

Insbesondere kann das Verfestigungsmodul ein Beschichtungsmodul, ein Sprühmodul oder ein Tauchbad aufweisen. Ferner ist es sinnvoll, wenn das Verfestigungsmodul eine sich an das Beschichtungsmodul, das Sprühmodul oder das Eintauchbad anschließende Trocken- und/oder Aushärteeinheit aufweist.In particular, the solidification module can have a coating module, a spray module or an immersion bath. It is also useful if the solidification module has a drying and / or curing unit that adjoins the coating module, the spray module or the immersion bath.

Vorteilhafterweise wird durch die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes im Verfestigungsmodul im weiteren Verfahrensweg ein sauberer, reproduzierbarer Trennvorgang des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes gewährleistet.Advantageously, the solidification of the expanded carbon fiber band in the solidification module ensures a clean, reproducible separation process of the expanded and solidified carbon fiber band in the further course of the process.

Das Längstrennmodul weist bevorzugt wenigstens eine erste Trennvorrichtung auf, welche das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge durchtrennt.The longitudinal cutting module preferably has at least one first cutting device which cuts the spread and solidified carbon fiber ribbon along the fiber processing direction into several parallel carbon fiber strands.

Die erste Trennvorrichtung kann wenigstens eine stehende Klinge, wenigstens ein rotierendes Rundmesser, wenigstens eine Ultraschallschneide mit alternierender Auf-Ab-Bewegung oder eine Kombination aus den vorgenannten aufweisen.The first cutting device can have at least one standing blade, at least one rotating circular knife, at least one ultrasonic cutting edge with an alternating up-and-down movement, or a combination of the aforementioned.

Das Quertrennmodul weist bevorzugt wenigstens eine zweite Trennvorrichtung auf, welche die Carbonfaserstränge quer zur Faserverarbeitungsrichtung in Carbonfaserstrangabschnitte, das heißt sogenannte Carbonfaser-Sticks, durchtrennt.The transverse cutting module preferably has at least one second cutting device which cuts the carbon fiber strands transversely to the fiber processing direction into carbon fiber strand sections, that is to say so-called carbon fiber sticks.

Die zweite Trennvorrichtung kann wenigstens eine Klinge, wenigstens ein rotierendes Rundmesser und/oder wenigstens eine kontinuierlich drehende Messerwelle aufweisen.The second cutting device can have at least one blade, at least one rotating circular knife and / or at least one continuously rotating knife shaft.

Die Aufgabe wird außerdem durch eine Bauteilherstellungsvorrichtung gelöst, welche eine Ausführungsform der oben beschriebenen Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung und ein mit der Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung über eine Fördereinrichtung verbundenes Matrixmaterialbereitstellungsmodul aufweist.The object is also achieved by a component production device which has an embodiment of the above-described carbon fiber strand section production device and a matrix material supply module connected to the carbon fiber strand section production device via a conveying device.

Vorteilhafterweise können dadurch die hergestellten Carbonfaserstrangabschnitte unmittelbar im Anschluss an ihre Herstellung in ein aushärtbares Material eingebracht werden, welches von dem Matrixmaterialbereitstellungsmodul bereitgestellt wird.As a result, the produced carbon fiber strand sections can advantageously be introduced into a hardenable material immediately after their production, which material is provided by the matrix material supply module.

Bevorzugt erzeugt und/oder beinhaltet das Matrixmaterialbereitstellungsmodul Frischbeton, Frischmörtel, flüssiges Bitumen, flüssigen Teer und/oder flüssigen Kunststoff.The matrix material supply module preferably produces and / or contains fresh concrete, fresh mortar, liquid bitumen, liquid tar and / or liquid plastic.

Durch die Erfindung ist es möglich, Carbonfaserstrangabschnitte bereit zu stellen, welche mit einer maximalen Homogenisierung in einem aushärtbaren Material verteilt werden können. Die Herstellung der Carbonfaserstrangabschnitte aus wenigstens einem Carbonfaserband mit einer Feinheit von ≥ 800 tex ist zudem kostengünstig und effektiv.The invention makes it possible to provide carbon fiber strand sections which can be distributed with maximum homogenization in a curable material. The production of the carbon fiber strand sections from at least one carbon fiber ribbon with a fineness of ≥ 800 tex is also inexpensive and effective.

Durch die Verwendung von Carbonfaserstrangabschnitte als Armierung kann wesentlich filigraner gebaut werden, die Durchtrocknungszeit ist wesentlich geringer und die Verteilung der Armierung beispielsweise im Beton ist wesentlich homogener und muss nicht erst an entsprechender Stelle vorfixiert werden. Dies ermöglicht eine höhere Flexibilität ebenso wie eine signifikante Reduzierung des Vorbereitungsaufwandes zur Einbringung und Fixierung bei gleichzeitiger Reduzierung von konventionellen Stahlarmierungen bei der Betonverarbeitung und eine größere Gestaltungsvielfalt bei der Bauteilauslegung.By using carbon fiber strand sections as reinforcement, the building can be built much more filigree, the drying time is much shorter and the distribution of the reinforcement, for example in concrete, is much more homogeneous and does not have to be fixed in advance at the appropriate point. This enables a higher flexibility as well as a significant reduction of the preparation effort for the introduction and fixation with a simultaneous reduction of conventional steel reinforcement in the concrete processing and a greater design variety in the component design.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Figuren näher erläutert, ohne dabei auf diese beschränkt zu sein.The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments and associated figures, without being restricted to these.

Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten erfindungsgemäßen Bauteilherstellungsvorrichtung;
2a eine schematische Detailansicht eines in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Verfestigungsmoduls;
2b eine schematische Detailansicht eines alternativ in der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Verfestigungsmoduls;
2c eine schematische Detailansicht eines weiteren alternativen, in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Verfestigungsmoduls;
2d eine schematische Detailansicht noch eines weiteren alternativen, in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Verfestigungsmoduls;
3a eine schematische Detailansicht eines in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Längstrennmoduls;
3b eine schematische Detailansicht eines alternativen, in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Längstrennmoduls;
3c eine schematische Detailansicht eines weiteren alternativen in der vorliegenden Erfindung nutzbaren Längstrennmoduls;
4a eine schematische Detailansicht eines in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Quertrennmoduls;
4b eine schematische Detailansicht eines alternativen, in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Quertrennmoduls; und
4c eine schematische Detailansicht eines weiteren alternativen, in der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Quertrennmoduls.

Show it:

1 a schematic side view of a component manufacturing device according to the invention suitable for carrying out the method according to the invention;
2a a schematic detailed view of a consolidation module that can be used in the present invention;
2 B a schematic detailed view of a consolidation module which can alternatively be used in the present invention;
2c a schematic detailed view of a further alternative, usable in the present invention consolidation module;
2d a schematic detailed view of yet another alternative, usable in the present invention consolidation module;
3a a schematic detailed view of a longitudinal dividing module which can be used in the present invention;
3b a schematic detailed view of an alternative longitudinal separating module which can be used in the present invention;
3c a schematic detailed view of a further alternative longitudinal dividing module that can be used in the present invention;
4a a schematic detailed view of a transverse separation module which can be used in the present invention;
4b a schematic detailed view of an alternative, usable in the present invention transverse separation module; and
4c a schematic detailed view of a further alternative transverse separation module that can be used in the present invention.

1 zeigt eine Seitenansicht einer zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten erfindungsgemäßen Bauteilherstellungsvorrichtung. 1 shows a side view of a component manufacturing device according to the invention which is suitable for carrying out the method according to the invention.

Die dargestellte Bauteilherstellungsvorrichtung weist im Wesentlichen eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung 10 und ein Matrixbereitstellungsmodul 9 auf.The illustrated component production device essentially comprises a carbon fiber strand section production device 10 and a matrix delivery module 9 on.

Die Faserverarbeitungsrichtung A ist durch Pfeile angedeutet.The fiber processing direction A is indicated by arrows.

Die Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung 10 weist in der Faserverarbeitungsrichtung A nacheinander ein Carbonfaserbandbereitstellungsmodul 2, ein Spreizmodul 3, ein Verfestigungsmodul 4, ein Längstrennmodul 5, ein Quertrennmodul 6 und ein Nachbearbeitungsmodul 7 auf.The carbon fiber hank cut manufacturing apparatus 10 has a carbon fiber sliver supply module in the fiber processing direction A one after the other 2 , a spreading module 3rd , a consolidation module 4th , a longitudinal cutting module 5 , a cross-cut module 6th and a post-processing module 7th on.

Durch das Carbonfaserbandbereitstellungsmodul 2 wird wenigstens ein Carbonfaserband 1.1, das heißt ein Carbonfaserroving, drehungsfrei bereitgestellt. Ein solcher Carbonfaserroving hat typischerweise einen elliptischen oder rechteckigen Querschnitt, kann aber auch einen runden Querschnitt aufweisen. Das Carbonfaserband 1.1 besteht aus im Wesentlichen parallel liegenden Kohlenstofffilamenten. Einzelne dieser Kohlenstofffilamente können jedoch auch quer liegen. Das Carbonfaserband 1.1 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Filamentanzahl von wenigstens 24000 Filamenten auf.Through the carbon fiber tape supply module 2 is at least one carbon fiber tape 1.1 , i.e. a carbon fiber roving, provided without rotation. Such a carbon fiber roving typically has an elliptical or rectangular cross section, but can also have a round cross section. The carbon fiber tape 1.1 consists of essentially parallel carbon filaments. However, some of these carbon filaments can also lie transversely. The carbon fiber tape 1.1 has a filament count of at least 24,000 filaments in the exemplary embodiment shown.

Das Bereitstellen des Carbonfaserbandes 1.1 erfolgt durch einen Tangentialabzug mit einer konstanten Zugspannung von einer Spule 2, welche in der hier dargestellten Ausführungsform Bestandteil eines elektronischen Gatters ist.The provision of the carbon fiber tape 1.1 takes place by means of a tangential pull-off with a constant tension from a spool 2 , which is part of an electronic gate in the embodiment shown here.

Das wenigstens eine Carbonfaserband 1.1 wird von dem Carbonfaserbandbereitstellungsmodul 2 kommend über ein Lieferwerk einem Spreizmodul 3 zugeführt, in welchem er zu einem gespreizten Carbonfaserband 1.2 aufgespreizt wird. Das Spreizmodul 3 weist mehrere unabhängig voneinander in ihrer Höhe und/oder Temperatur einstellbare Umlenkstäbe auf, wodurch die Spreiztiefe gezielt einstellbar ist.At least one carbon fiber tape 1.1 is used by the carbon fiber tape supply module 2 coming via a supplier to a spreading module 3rd fed, in which it becomes a spread carbon fiber ribbon 1.2 is spread open. The spreading module 3rd has several deflecting rods whose height and / or temperature can be adjusted independently of one another, whereby the spreading depth can be adjusted in a targeted manner.

Das gespreizte Carbonfaserband 1.2 wird in einem Verfestigungsmodul 4 zu einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband 1.3 verfestigt. Das gespreizte Carbonfaserband 1.2 wird zur Verfestigung in dem Verfestigungsmodul 4 vorzugsweise mit einem Benetzungsstoff, meist auf polymerer Basis, vorzugsweise einem Fluid, benetzt/beschichtet. Als Benetzungsstoff eignen sich vor allem Epoxidharze, Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) oder ausgewählte Minerale.The spread carbon fiber tape 1.2 is in a consolidation module 4th to a spread and solidified carbon fiber tape 1.3 solidified. The spread carbon fiber tape 1.2 is used for consolidation in the consolidation module 4th preferably wetted / coated with a wetting agent, usually based on polymers, preferably a fluid. Epoxy resins, styrene-butadiene rubber (SBR) or selected minerals are particularly suitable as wetting agents.

Die Verfestigung des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2 ist wichtig für die weitere Verfahrensführung. Hierdurch bilden die Fasern des gespreizten Carbonfaserbandes trotz der Spreizung einen mechanisch belastbaren Verbund, sodass ein definiertes Längs- und Querschneiden möglich ist und darüber hinaus sowohl die erzeugten Carbonfaserstränge 1.4 als auch die daraus erzeugten Carbonfaserstrangabschnitte 1.5, selbst wenn sie später in ein aushärtbares Material 9 eingebracht und mit diesem vermischt werden, eine ausreichende Eigenfestigkeit aufweisen.The consolidation of the spread carbon fiber tape 1.2 is important for the further conduct of the procedure. As a result, the fibers of the spread carbon fiber ribbon form a mechanically resilient composite despite the spreading, so that defined longitudinal and transverse cutting is possible, as well as the carbon fiber strands that are produced 1.4 as well as the carbon fiber strand sections produced from it 1.5 even if later turned into a hardenable material 9 are introduced and mixed with this, have sufficient inherent strength.

Das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 wird anschließend in einem Längstrennmodul 5 längs der Faserverarbeitungsrichtung in mehrere parallele Carbonfaserstränge 1.4 durchtrennt. Die Carbonfaserstränge 1.4 werden in definierter Breite geschnitten. Die Carbonfaserstränge 1.4 werden auch als Carbonfaserstrands bezeichnet.The spread and solidified carbon fiber tape 1.3 is then placed in a longitudinal cutting module 5 along the fiber processing direction into several parallel carbon fiber strands 1.4 severed. The carbon fiber strands 1.4 are cut in a defined width. The carbon fiber strands 1.4 are also known as carbon fiber strands.

Das Durchtrennen ist dabei in der 1 durch ein Scherensymbol angedeutet. Das Längsdurchtrennen des gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes 1.3 erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer definierten Schnittbreite b je Spur. Die Schnittbreite b liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1,5 mm ≤ b ≤ 3 mm.The cutting is in the 1 indicated by a scissors symbol. The lengthwise cutting of the spread and solidified carbon fiber tape 1.3 takes place in the embodiment shown with a defined cutting width b per track. The cutting width b is preferably in a range of 1.5 mm b 3 mm.

Die Carbonfaserstränge 1.4 werden anschließend in einem Quertrennmodul 6 ohne Unterbrechung des kontinuierlichen Prozesses quer zur Faserorientierung in Carbonfaserstrangabschnitte 1.5, also in geschnittene Carbonfaserstrands, die auch Carbonfaser-Sticks genannt werden, durchtrennt. Das Durchtrennen ist dabei in der 1 durch ein Scherensymbol angedeutet. Die erzeugten Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 weisen eine definierte Länge auf.The carbon fiber strands 1.4 are then placed in a cross-cut module 6th without interrupting the continuous process across the fiber orientation in carbon fiber strand sections 1.5 , i.e. into cut carbon fiber strands, which are also called carbon fiber sticks. The cutting is in the 1 indicated by a scissors symbol. The carbon fiber strand sections produced 1.5 have a defined length.

In einem Nachbearbeitungsmodul 7 werden die Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 getrocknet und polymerisiert oder mineralisiert. Vorteilhafterweise werden die Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 durch eine solche Nachbearbeitung separiert, was bewirkt, dass sie im späteren Verbundwerkstoff keine Agglomerate ausbilden.In a post-processing module 7th are the carbon fiber strand sections 1.5 dried and polymerized or mineralized. The carbon fiber strand sections are advantageously 1.5 separated by such post-processing, which causes that they do not form agglomerates in the later composite material.

Die Nachbearbeitung der Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 durch Trocknen und Polymerisieren oder Mineralisieren ist in hohem Maß vom ausgewählten Polymer-basierten System zur Verfestigung abhängig. Daher kann die Nachbearbeitung optional in der Prozesskette hinter dem Verfestigungsmodul 4 integriert werden. Dies kann von Vorteil sein, wenn beispielsweise ein klebender gespreizter und verfestigter Carbonfaserstrang 1.3 bei den Trennprozessen nicht optimal getrennt werden kann. Gegebenenfalls kann nach der Verfestigung eine zusätzliche Materialtrocknung/Aushärtung erfolgen.The post-processing of the carbon fiber strand sections 1.5 by drying and polymerizing or mineralizing is highly dependent on the selected polymer-based system for solidification. Therefore, post-processing can optionally be in the process chain after the consolidation module 4th to get integrated. This can be advantageous if, for example, an adhesive, spread and solidified carbon fiber strand 1.3 cannot be optimally separated during the separation processes. If necessary, additional material drying / hardening can take place after solidification.

Über eine Fördereinrichtung ist die Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung 10 mit einem Matrixmaterialbereitstellungsmodul 9 verbunden, derart, dass die Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 in ein durch das Matrixmaterialbereitstellungsmodul 9 bereitgestelltes aushärtbares Material eingebracht werden. Das Matrixmaterialbereitstellungsmodul 9 erzeugt und/oder beinhaltet dabei Frischbeton, Frischmörtel, flüssiges Bitumen, flüssigen Teer und/oder flüssigen Kunststoff.The carbon fiber strand section production device is via a conveying device 10 with a matrix material supply module 9 connected in such a way that the carbon fiber strand sections 1.5 into a through the matrix material supply module 9 provided curable material are introduced. The matrix material supply module 9 produces and / or contains fresh concrete, fresh mortar, liquid bitumen, liquid tar and / or liquid plastic.

Vorteilhafterweise können die hergestellten Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 unmittelbar im Anschluss an ihre Herstellung in das aushärtbare Material eingebracht werden. Vorteilhafterweise kann durch das Einbringen der Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 in ein aushärtbares Material eine Steigerung der mechanischen Festigkeiten des aushärtbaren Materials und in Bezug auf Betonanwendungen eine Verringerung des Rissfortschritts im Fall eines Bauteilversagens erzielt werden.The carbon fiber strand sections produced can advantageously 1.5 are introduced into the curable material immediately after their production. Advantageously, by introducing the carbon fiber strand sections 1.5 In a hardenable material, an increase in the mechanical strengths of the hardenable material and, in relation to concrete applications, a reduction in crack propagation in the event of component failure can be achieved.

Die 2a bis 2d zeigen jeweils eine Detailansicht verwendbarer Ausführungsformen des Verfestigungsmoduls 4. Die Faserverarbeitungsrichtung ist jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Es ist jeweils das in das Verfestigungsmodul 4 herein geführte gespreizte Carbonfaserband 1.2 und das aus dem Verfestigungsmodul 4 heraus geführte gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 zu erkennen.The 2a to 2d each show a detailed view of usable embodiments of the consolidation module 4th . The fiber processing direction is indicated in each case by an arrow. It is always the one in the consolidation module 4th spread carbon fiber tape guided in 1.2 and that from the consolidation module 4th spread out and solidified carbon fiber tape 1.3 to recognize.

In der in 2a dargestellten Variante des Verfestigungsmoduls 4 in Form eines Fließaustragsbeschichtungsmoduls 4a wird ein Fluid 4.1 aus einer Fließaustragsvorrichtung 4.2, wie beispielsweise einem Trichter, über eine rotierende Rolle 4.3 auf das gespreizte Carbonfaserband 1.2 aufgetragen. Von Vorteil ist dabei, dass das Fluid 4.1 genau dosiert werden kann und mit einem hohen Durchdringungsgrad auf das gespreizte Carbonfaserband 1.2 aufgebracht wird.In the in 2a shown variant of the consolidation module 4th in the form of a flow discharge coating module 4a becomes a fluid 4.1 from a flow discharge device 4.2 such as a hopper, via a rotating roller 4.3 on the spread carbon fiber tape 1.2 applied. The advantage here is that the fluid 4.1 can be dosed precisely and with a high degree of penetration on the spread carbon fiber ribbon 1.2 is applied.

In der in 2b dargestellten Variante des Verfestigungsmoduls 4 in Form eines Sprühmoduls 4b wird ein Fluid 4.1 mittels einer Sprühvorrichtung, wie z. B. einem Sprühkopf 4.4, auf das gespreizte Carbonfaserband 1.2 aufgesprüht. Auch hier ist eine sehr exakte Dosierung möglich und durch das kontaktlose Auftragen wird die Anlagenverschmutzung minimiert.In the in 2 B shown variant of the consolidation module 4th in the form of a spray module 4b becomes a fluid 4.1 by means of a spray device, such as. B. a spray head 4.4 , on the spread carbon fiber tape 1.2 sprayed on. Here, too, very precise dosing is possible and the contactless application minimizes system contamination.

In der in 2c dargestellten Variante des Verfestigungsmoduls 4 in Form eines Eintauchbades 4c wird das gespreizte Carbonfaserband 1.2 über mehrere Förderrollen 4.5 durch ein Eintauchbad mit einem Fluid 4.1 vollständig hindurch gefördert und dabei mit diesem allseitig benetzt. Mit dieser Variante kann vorteilhafterweise ein vollständiges Benetzen des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2 erfolgen.In the in 2c shown variant of the consolidation module 4th in the form of an immersion bath 4c becomes the spread carbon fiber tape 1.2 over several conveyor rollers 4.5 by an immersion bath with a fluid 4.1 conveyed completely through and thereby wetted with this on all sides. With this variant, complete wetting of the spread carbon fiber strip can advantageously be achieved 1.2 respectively.

2d zeigt eine schematische Detailansicht eines weiteren alternativen Verfestigungsmoduls 4 in Form eines Tauchbeschichtungsmoduls 4d. Hier erfolgt ein Benetzen des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2 mit einem Fluid 4.1 auf nur einer Seite des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2. Hierfür das gespreizte Carbonfaserband 1.2 unter Verwendung von Förderrollen 4.5 auf einer Oberseite einer rotierenden Rolle 4.6 geführt, während sich eine Unterseite dieser rotierenden Rolle 4.6 in einem Bad mit dem darin vorgesehenen Fluid 4.1 befindet. Durch die Rotation der Rolle 4.6 wird das Fluid 4.1 nach oben mitgenommen und die Unterseite des gespreizten Carbonfaserbandes 1.2 mit dem Fluid 4.1 benetzt. 2d shows a schematic detailed view of a further alternative consolidation module 4th in the form of a dip coating module 4d . The spread carbon fiber tape is wetted here 1.2 with a fluid 4.1 on only one side of the spread carbon fiber tape 1.2 . For this the spread carbon fiber tape 1.2 using conveyor rollers 4.5 on top of a rotating roller 4.6 guided while moving a bottom of this rotating roller 4.6 in a bath with the fluid provided therein 4.1 is located. By rotating the role 4.6 becomes the fluid 4.1 taken up and the underside of the spread carbon fiber tape 1.2 with the fluid 4.1 wetted.

Die 3a bis 3c zeigen jeweils eine Detailansicht eines Längstrennmoduls 5. Die Faserverarbeitungsrichtung ist jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Es ist jeweils das in das Längstrennmodul 5 herein geführte gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 und die aus dem Längstrennmodul 5 heraus geführten parallelen Carbonfaserstränge 1.4 zu erkennen.The 3a to 3c each show a detailed view of a longitudinal dividing module 5 . The fiber processing direction is indicated in each case by an arrow. It is always the one in the longitudinal separation module 5 spread and solidified carbon fiber tape guided in 1.3 and the one from the longitudinal separation module 5 led out parallel carbon fiber strands 1.4 to recognize.

In der in 3a dargestellten Variante wird das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 über eine ortsfeste Klinge 5.1 geführt. Diese Realisierung ist besonders kostengünstig.In the in 3a The variant shown is the spread and solidified carbon fiber tape 1.3 via a fixed blade 5.1 guided. This implementation is particularly cost-effective.

In der in 3b dargestellten Variante wird das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 über ein rotierendes Rundmesser 5.2 geführt. Vorteilhafterweise ist der Werkzeugverschleiß bei dieser Methode geringer und es wirken nur geringe Schnittkräfte.In the in 3b The variant shown is the spread and solidified carbon fiber tape 1.3 via a rotating circular knife 5.2 guided. Advantageously, the tool wear is less with this method and only low cutting forces act.

In der in 3c dargestellten Variante wird das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband 1.3 über eine Ultraschall-Klinge 5.3 mit alternierender Auf-Ab-Bewegung geführt. Hierbei wirken vorteilhafterweise ebenfalls nur geringe Schnittkräfte.In the in 3c The variant shown is the spread and solidified carbon fiber tape 1.3 via an ultrasonic blade 5.3 guided with alternating up-down movement. Advantageously, only small cutting forces act here.

Die 4a bis 4c zeigen jeweils eine Detailansicht eines Quertrennmoduls 6. Die Faserverarbeitungsrichtung ist jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Es sind jeweils die in das Quertrennmodul 6 herein geführten parallelen Carbonfaserstränge 1.4 und die aus dem Quertrennmodul 6 heraus geführten Carbonfaserstrangabschnitte 1.5 zu erkennen.The 4a to 4c each show a detailed view of a transverse separation module 6th . The Fiber processing direction is indicated in each case by an arrow. There are always those in the cross-cut module 6th in led parallel carbon fiber strands 1.4 and the one from the cross-cut module 6th led out carbon fiber strand sections 1.5 to recognize.

In der in 4a dargestellten Variante erfolgt das Durchtrennen der parallelen Carbonfaserstränge 1.4 mittels einer Klinge 6.1, welche in der Art einer Guillotine alternierende Bewegungen quer zu den Carbonfasersträngen 1.4 ausübt. Diese Realisierung ist vorteilhafterweise kostengünstig.In the in 4a In the variant shown, the parallel carbon fiber strands are severed 1.4 by means of a blade 6.1 which, in the manner of a guillotine, produce alternating movements across the carbon fiber strands 1.4 exercises. This implementation is advantageously inexpensive.

In der in 4b dargestellten Variante erfolgt das Durchtrennen mittels eines Rundmessers 6.2, welches alternierende Bewegungen quer zu den Carbonfasersträngen 1.4 ausübt. Diese Realisierung weist vorteilhafterweise einen geringen Werkzeugverschleiß auf.In the in 4b The variant shown is cut by means of a circular knife 6.2 , which alternates movements across the carbon fiber strands 1.4 exercises. This implementation advantageously has low tool wear.

In der in 4c dargestellten Variante erfolgt das Durchtrennen der Carbonfaserstränge 1.4 mittels einer kontinuierlich drehenden Messerwelle 6.3. Bei diesem kontinuierlichen Trennverfahren erfolgt vorteilhafterweise keine Relativbewegung zwischen der Schneide und den Carbonfasersträngen 1.4.In the in 4c The variant shown is the severing of the carbon fiber strands 1.4 by means of a continuously rotating knife shaft 6.3 . In this continuous cutting process, there is advantageously no relative movement between the cutting edge and the carbon fiber strands 1.4 .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 0881312 A2 [0011]EP 0881312 A2 [0011]
EP 1788146 B1 [0012]EP 1788146 B1 [0012]
DE 102005052660 B3 [0013]DE 102005052660 B3 [0013]
WO 2011142990 A1 [0013]WO 2011142990 A1 [0013]
DE 102007012607 B4 [0013]DE 102007012607 B4 [0013]
DE 102009056197 A1 [0013]DE 102009056197 A1 [0013]
DE 102015206389 A1 [0015]DE 102015206389 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Carbonfaserstrangabschnitten (1.5), dadurch gekennzeichnet, dass in einem kontinuierlichen Prozess mit konstanter Bahnwarengeschwindigkeit folgende Schritte in folgender Reihenfolge ausgeführt werden, dass - wenigstens ein Carbonfaserband (1.1) bereitgestellt wird; - das wenigstens eine Carbonfaserband (1.1) in einer Faserverarbeitungsrichtung (A) abgezogen und mittels beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband (1.2) aufgespreizt wird; - das wenigstens eine gespreizte Carbonfaserband (1.2) zu wenigstens einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband (1.3) verfestigt wird; - das wenigstens eine gespreizte und verfestigte Carbonfaserband (1.3) längs der Faserverarbeitungsrichtung (A) in mehrere parallele Carbonfaserstränge (1.4) längsdurchtrennt wird; und - die Carbonfaserstränge (1.4) quer zu der Faserverarbeitungsrichtung (A) zu Carbonfaserstrangabschnitten (1.5) querdurchtrennt werden.A method for producing carbon fiber strand sections (1.5), characterized in that the following steps are carried out in the following sequence in a continuous process with a constant web speed: at least one carbon fiber band (1.1) is provided; - The at least one carbon fiber band (1.1) is drawn off in a fiber processing direction (A) and spread by means of heated spreader bars that are unstructured along their circumference to form at least one spread carbon fiber band (1.2); - The at least one spread carbon fiber band (1.2) is solidified to form at least one spread and solidified carbon fiber band (1.3); - The at least one spread and solidified carbon fiber band (1.3) is severed lengthways along the fiber processing direction (A) into several parallel carbon fiber strands (1.4); and - the carbon fiber strands (1.4) are severed transversely to the fiber processing direction (A) to form carbon fiber strand sections (1.5).

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gespreizte Carbonfaserband (1.2) durch Aufbringen wenigstens eines Fluids (4.1) oder Eintauchen des gespreizten Carbonfaserbandes (1.2) in wenigstens ein Fluid (4.1) verfestigt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the spread carbon fiber band (1.2) is solidified by applying at least one fluid (4.1) or immersing the spread carbon fiber band (1.2) in at least one fluid (4.1).

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gespreizte und verfestigte Carbonfaserband (1.3) oder die Carbonfaserstränge (1.4) oder die Carbonfaserstrangabschnitte (1.5) getrocknet und polymerisiert oder mineralisiert wird/werden.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the spread and solidified carbon fiber tape (1.3) or the carbon fiber strands (1.4) or the carbon fiber strand sections (1.5) is / are dried and polymerized or mineralized.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Carbonfaserband (1.1) eine Feinheit von ≥ 800 tex aufweist und das wenigstens eine Carbonfaserband (1.1) zu dem gespreizten Carbonfaserband (1.2) mindestens unter Verdopplung der jeweiligen Breite aufgespreizt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one carbon fiber tape (1.1) has a fineness of ≥ 800 tex and the at least one carbon fiber tape (1.1) is expanded to form the spread carbon fiber tape (1.2) at least doubling the respective width.

Verfahren zum Verstärken von Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche Carbonfaserstrangabschnitte (1.5) hergestellt und in ein aushärtbares Material (9) eingebracht werden.Method for reinforcing components, characterized in that, using a method according to at least one of the preceding claims, carbon fiber strand sections (1.5) are produced and introduced into a hardenable material (9).

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfaserstrangabschnitte (1.5) in Frischbeton, in Frischmörtel, in flüssiges Bitumen, in flüssigen Teer und/oder in flüssigen Kunststoff als aushärtbares Material (9) eingebracht werden.Procedure according to Claim 5 , characterized in that the carbon fiber strand sections (1.5) are introduced into fresh concrete, fresh mortar, liquid bitumen, liquid tar and / or liquid plastic as a hardenable material (9).

Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) in einer Faserverarbeitungsrichtung (A) in folgender Reihenfolge nacheinander - ein Carbonfaserbandbereitstellungsmodul (2) zum Bereitstellen wenigstens eines Carbonfaserbandes (1.1); - ein Spreizmodul (3) mit beheizten, entlang ihres Umfangs unstrukturierten Spreizstäben zum Aufspreizen des wenigstens einen Carbonfaserbandes (1.1) zu wenigstens einem gespreizten Carbonfaserband (1.2); - wenigstens ein Verfestigungsmodul (4) zum Verfestigen des wenigstens einen gespreizten Carbonfaserbandes (1.2) zu wenigstens einem gespreizten und verfestigten Carbonfaserband (1.3); - ein Längstrennmodul (5) zum Durchtrennen des wenigstens einen gespreizten und verfestigten Carbonfaserbandes (1.3) längs der Faserverarbeitungsrichtung (A) in mehrere parallele Carbonfaserstrangabsschnitte (1.4); - ein Quertrennmodul (6) zum Durchtrennen der Carbonfaserstränge (1.4) in Carbonfaserstrangabschnitte (1.5) quer zu der Faserverarbeitungsrichtung (A); und - wenigstens eine einen durchgehenden Materialtransport von dem Carbonfaserbandbereitstellungsmodul (2) bis zu dem Quertrennmodul (6) ermöglichende Materialförderei nrichtu ng aufweist.Carbon fiber strand section production device (10), characterized in that the device (10) in a fiber processing direction (A) in the following sequence one after the other - a carbon fiber tape supply module (2) for supplying at least one carbon fiber tape (1.1); - A spreading module (3) with heated spreading bars unstructured along their circumference for spreading the at least one carbon fiber band (1.1) to form at least one spread carbon fiber band (1.2); - At least one consolidation module (4) for consolidating the at least one expanded carbon fiber band (1.2) to form at least one expanded and consolidated carbon fiber band (1.3); - A longitudinal cutting module (5) for cutting through the at least one spread and solidified carbon fiber band (1.3) along the fiber processing direction (A) into several parallel carbon fiber strand sections (1.4); - A transverse cutting module (6) for cutting the carbon fiber strands (1.4) into carbon fiber strand sections (1.5) transversely to the fiber processing direction (A); and - has at least one material conveying device which enables continuous material transport from the carbon fiber band supply module (2) to the transverse cutting module (6).

Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Spreizmodul (3) und dem Verfestigungsmodul (4) ein Lieferwerk mit einem omegaförmigen Bandverlauf angeordnet ist.Carbon fiber strand section manufacturing device (10) according to Claim 7 , characterized in that a delivery mechanism with an omega-shaped belt course is arranged between the expansion module (3) and the consolidation module (4).

Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfestigungsmodul (4) ein Fließaustragsbeschichtungsmodul (4a), ein Sprühmodul (4b), ein Eintauchbad (4c) oder ein Tauchbeschichtungsmodul (4d) aufweist.Carbon fiber strand section manufacturing device (10) according to Claim 7 or 8th , characterized in that the solidification module (4) has a flow discharge coating module (4a), a spray module (4b), an immersion bath (4c) or an immersion coating module (4d).

Bauteilherstellungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilherstellungsvorrichtung eine Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10) nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9 und ein mit der Carbonfaserstrangabschnittherstellungsvorrichtung (10) über eine Fördereinrichtung verbundenes Matrixmaterialbereitstellungsmodul (9) aufweist.Component manufacturing device, characterized in that the component manufacturing device comprises a carbon fiber strand section manufacturing device (10) according to at least one of the Claims 7 to 9 and a matrix material supply module (9) connected to the carbon fiber strand section production device (10) via a conveying device.

Bauteilherstellungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterialbereitstellungsmodul (9) Frischbeton, Frischmörtel, flüssiges Bitumen, flüssigen Teer und/oder flüssigen Kunststoff als aushärtbares Material (9) erzeugt und/oder beinhaltet.Component manufacturing apparatus according to Claim 10 , characterized in that the matrix material supply module (9) produces and / or contains fresh concrete, fresh mortar, liquid bitumen, liquid tar and / or liquid plastic as curable material (9).