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Verarbeitung von Reaktionsharzen - Wickel- und Tapelegetechnik

Wickeln von Duroplasten

Auszug aus

Handbuch Verbundwerkstoffe

Herausgeber: Manfred Neitzel, Peter Mitschang, Ulf Breuer
07/2014, 576 Seiten, € 179,99
ISBN: 978-3-446-43696-1
Seite 331

Beim Duroplastwickeln kommen mit Reaktionsharzen imprägnierte Rovings zum Einsatz. Das Ausgangsfasermaterial wird auf Spulen (Bobbins) geliefert und auf einem Spulenständer (meist mit integrierter Fadenspannungsregulierungseinheit) montiert. Die Rovings werden, von der Spule kommend, durch ein Harzbad mit dem flüssigen Reaktionsharz gezogen und imprägniert, bevor sie der Ablegeeinheit zugeführt werden. Das Harzbad kann in Abhängigkeit des verwendeten Harzsystems temperierbar sein, da manche Harze nur bei erhöhter Temperatur eine zum Imprägnieren ausreichend niedrige Viskosität erreichen. Die zum Einsatz kommenden Harze sollten im günstigsten Fall eine Viskosität von weniger als 2 Pa s und eine Topfzeit von mehr als 6 h haben. Erst mit ausreichend niedriger Viskosität kann die vollständige Imprägnierung der Verstärkungsfaser mit der Matrix (Harzsystem) bei hoher Geschwindigkeit (< 60 m/min) erfolgen.

Imprägnierbad einer Duroplastwickelanlage (Bild: Handbuch Verbundwerkstoffe)

Der Faservolumengehalt wird bei der Wickeltechnik durch das Harzbad als auch durch die Rovingspannung determiniert. Für eine gleichmäßige Imprägnierung der Verstärkungsfaser mit Matrix innerhalb eines offenen Harzbades ist eine gleichmäßige Rovingspannung sicherzustellen. Die an den Abstreifern auf das Rovingband einwirkenden Kräfte und die beim Aufwickeln auf den Kern resultierenden Radialkräfte dienen dabei als Stellgrößen. Beide Anteile sind eine Funktion der Rovingspannung. Die Rovingkraft wird durch eine Bremskraft gegen die rotierende Wickelachse aufgebracht. Dazu sind einfache Bandbremsen bis hin zu elektronisch geregelten Servobremsen verfügbar.

Beim Wickeln von Behältern kommt es jedoch im Polkappenbereich zu einem kurzzeitigen Abfall der Rovingspannung durch die Querschnittsverjüngung und gleichzeitig notwendige verminderte Wickelgeschwindigkeit. Dieser Effekt führt zu einem Nachlaufen der Rovingspulen. Zum Ausgleich kommen so genannte Tänzereinheiten zum Einsatz, wie sie auch in Webereien und Spinnereien üblich sind. Hierbei spannt eine Feder, eine elektronische- oder pneumatische Stelleinheit die gesamte Spule gegenüber der Bandbremse vor, sodass bei einem Spannungsverlust die Federspannung ausgleichend wirkt.

Nach dem Durchlaufen der Imprägnierstation werden die getränkten Fasern mittels einer Ablegeeinheit unter dem geplanten Winkel auf dem Kern abgelegt. Dabei ist es möglich, mehrere Rovings als Bänder gleichzeitig nebeneinander zu positionieren. Sie passieren dabei ein Fadenauge oder einen Abstreifbügel. Der nachgeschaltete Kamm sorgt für eine gleichmäßige Auffächerung, konstante Lagendicke und Ablagebreite jedes einzelnen Rovings.

Bei der Serienherstellung einfacher zylindrischer Teile, wie Rohre oder Wellen, bei denen mit einem Ringfadenauge gearbeitet wird, ist es üblich, über eine geeignete zusätzliche Umlenkstrecke die Fadenkraft ohne besondere Steuer- oder Regelbremsen einzuleiten. Verwendet man zum Wickeln Duroplast-Prepregs, so erfordert dies eine angepasste apparative Ausstattung. Die Prepregs liegen als schmale Bändchen mit fester Geometrie und einer gewissen Steifigkeit vor.

Nach dem eigentlichen Wickelprozess schließt sich bei duroplastischen Matrixsystemen eine Aushärtungsphase des Harzes an. Je nach verwendetem Harz und abhängig von den Bauteildimensionen kann die Aushärtung bei Umgebungsbedingungen oder in einem entsprechenden Ofen erfolgen. Neben diesen gebräuchlichen Methoden kommen prinzipiell noch die Härtung mit Mikrowellen [1], UV-Strahlung oder mittels Elektronenstrahl in Frage.

Bei einem konventionell gewickelten duroplastischen Bauteil muss dieses während des Härtens weiterhin rotieren, um ein Abtropfen des Harzes durch die in der Härtungsphase erniedrigte Viskosität zu vermeiden und die gleichmäßige Faser/Harz-Verteilung zu gewährleisten. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten beim Abkühlen von Härtungs- auf Umgebungstemperatur kommt es zu einer für das Wickeln typischen Entstehung von Eigenspannungen. Durch die geschlossene Struktur von zylindrischen Körpern können hier die aus dem beim Aushärten auftretenden Schrumpf des Harzes entstehenden Spannungen durch die Stützwirkung des Kernes bzw. in entformten und ausgehärteten Zustand der Fasern nicht in Verformungen überführt werden und bleiben in tangentialer Richtung im Bauteil erhalten. Sie können je nach Ausprägung das Bauteilverhalten günstig oder negativ beeinflussen. Unter ungünstigen Umständen ist der Betrag dieser Eigenspannungen hoch genug, um das Bauteil durch Delamination zu zerstören. Methoden zur Vermeidung bzw. günstigen Beeinflussung dieser Eigenspannungen sind in [2] beschrieben.

Auszug aus

Handbuch Verbundwerkstoffe

Herausgeber: Manfred Neitzel, Peter Mitschang, Ulf Breuer
07/2014, 576 Seiten, € 179,99
ISBN: 978-3-446-43696-1
Seite 331
Literaturhinweis

[1] Jao Jule, E.; Delmotte, M.: Thermomechanical Couplings and Manufacture Conditions of Thermosetting Composite Materials with Heating by Dielectric Hysteresis, 10th European Conference on Composite Materials (ECCM-10), June 3 – 7, 2002, Brügge, Belgium

[2] Schürmann, H.: Zur Erhöhung der Belastbarkeit von Bauteilen aus Faser-Kunststoff- Verbunden durch gezielt eingebrachte Eigenspannungen, Diss., Universität-Gesamthochschule Kassel, VDI Verlag, Fortschritt-Berichte, VDI-Reihe Nr. 170, Düsseldorf, 1989

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