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Verfahren zur Herstellung von Profilstäben
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Profilstäben beliebiger, insbesondere offener Querschnittsform und dünner Wandstärke aus faserverstärktem, härtbarem Kunstharz, bei dem kunstharzgetränkte Faserstränge oder Gewebebänder mit einem thermoplastischen Kunststoff (Thermoplast) kontinuierlich umhüllt und anschliessend oder nach Zwischenlagerung verformt und ausgehärtet werden.
Es sind bereits Verfahren bekannt, bei welchen die aus Glasfasersträngen bestehenden Verstärkungeinlagen durch eine mit einem ungesättigten Polyesterharz gefüllte Wanne gezogen werden und dieAushärtung des faserverstärkten Kunstharzes in einem auf die Härtetemperatur gebrachten Profilformrohr vorgenommen wird. Auch ist eine Methode bekannt, bei der in einem taktweisenArbeitsverfahren die Aushärtung in ähnlicher Weise erfolgt und der Strang bzw. das fertige Profil stückweise abgezogen wird.
Meist sind hinter der ersten, aus dem genannten Profilformrohr bestehenden Härtezone mehrere andere dahintergeschaltet, durch welche der Strang geführt und zur vollkommenen Aushärtung gebracht wird.
Bei solchen Arbeitsweisen ist es allerdings nur möglich, gerade Profile herzustellen, da die Aushärtung unter erheblicher Zugspannung erfolgt. Die Fertigung eines gekrümmten Profils ist danach ausgeschlossen.
Ferner haben diese beschriebenen Verfahren den Nachteil, dass das erforderliche Profilformrohr bei komplizierten Querschnittsformen nur schwierig herzustellen ist und ausserdem in diesem Rohr hohe Reibungskräfte auftreten, die eine starke Beanspruchung der Abzugsvorrichtung verursachen und nicht selten zum Abreissen des Stranges im Profilformrohr führen und dieses dadurch unbrauchbar machen.
Ein weiteres Verfahren schlägt vor, mit härtbaren Kunstharzen getränkte Faserstränge in eine schlauchförmige Umhüllung aus einem thermoplastischen Kunststoff einzuziehen, zu verformen und sodann auszuhärten. So ist es z. B. möglich, einen Rundstab zu umhüllen und hieraus Spiralfedern oder andere Formkörper herzustellen. Von Nachteil ist es bei diesen Verfahren, dass die Anwendung nur manuell und nur für sehr begrenzte Längenabschnitte möglich ist ; ausserdem muss die schlauchförmige Umhüllung eine relativ grosse Dicke aufweisen, damit das Einziehen der harzgetränkten Faserstränge überhaupt möglich ist, eine derartige Umhüllung steht aber der Verformung zu dünnwandigen Profilen entgegen. Auch ist eine kontinuierliche Fertigung nicht möglich.
Bekannt ist ausserdem ein Verfahren, bei dem der mit einem härtbaren Kunstharz getränkte Faserstrang mit einer thermoplastischen Folienbahn umwickelt wird, welche nach der Aushärtung entweder wieder entfernt oder auf dem Stab belassen wird. Ebenso ist es bekannt, den kunstharzgetränkten Faserstrang mittels eines gesondert hergestellten Folienschlauches zu umhüllen, welcher unter Wärmeeinwirkung zu schrumpfen vermag und dabei eine Verdichtung des Harz-Fasergemisches hervorrufen soll, wobei Luftkammern, Druckkissen, Rollenpaare u. dgl. diese Wirkungsweise unterstützen. Man kann mit einer solchen Schrumpf-Verdichtungs-Methode einfache Rohre, Stäbe und auch dickwandige Profile herstellen. Dagegen ist die Anwendung des Verfahrens auf die Fertigung von geraden oder gebogenen, insbesondere offenen Profilen beliebigen Querschnittes, z. B.
U-, T-, Doppel-T-Profil usw., nicht möglich.
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Gerade derartige Querschnittsformen ergeben jedoch bei entsprechender Dünnwandigkeit in Verbindung mit den hervorragenden Festigkeitseigenschaften faserverstärkter Kunstharze sehr interessante Bauelemente. Das erfindungsgemässe Verfahren soll nun die bisher bestehenden Mängel beseitigen und dar- über hinaus weitere Qualitätsverbesserungen an faserverstärkten Kunstharz-Artikeln und auch die Herstellung von gebogenen oder beliebig gekrümmten Profilteilen ermöglichen.
Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die kunstharzgetränkten, bandförmig vorgeformten Faserstränge oder Gewebebänder allseitig mit der Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffes, dessen Schmelzpunkt mindestens gleich oder höher als die Aushärtungstemperatur des zur Tränkung verwendeten Harzes liegt, umhüllt und kontinuierlich verformt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann beispielsweise derart durchgeführt werden, dass beim Verformen des aus den allseitig ummantelten kunstharzgetränkten Fasersträngen oder Gewebebändern bestehenden, noch nicht ausgehärteten Halbzeuges zu einem beliebigen Profil während des kontinuierlichen Durchlaufes des Halbzeuges durch die aus Heizzonen und dazwischen liegenden Verformungswerkzeugen bestehende Formgebung-un Aushärtungsstrecke durch Umschalten der verstellbar eingerichteten Formwerkzeuge auf eine andere Profilform sowie gegebenenfalls durch Veränderung der Durchlaufgeschwindigkeit des Halbzeuges im Profilstrang abschnittsweise unterschiedliche Profilquerschnitte gebildet werden.
Erfolgt die Formgebung und Aushärtung der harzgetränkten Faserstränge dagegen unmittelbar anschliessend an die allseitige Ummantelung, so kann das Aktivierungssystem des härtbaren Kunstharzes derart eingestellt werden, dass die beim Durchgang durch den Spritzkopf auf die Faserstränge übertragene und die in der dabei aufgebrachten Mantelmasse vorhandene Wärme zum Einleiten bzw. zur Durchführung des Aushärtungsprozcsses ausreicht.
Es ist dann nicht mehr unbedingt erforderlich, in der unmittelbar hinter dem Ummantelungswerkzeug angeordneten Kühlzone die Temperatur des Stranges so weit herabzusetzen, dass die Aushärtung des Kunstharzes unterbleibt. Vielmehr führt es zu einer Vereinfachung des Verfahrensablaufes, wenn die bei der Ummantelung bereits aufgewendete Wärme auch zum Einleiten des Aushärtungsprozesses herangezogen wird, und die Abkühlung beispielsweise mittels eines Luftstromes nur insoweit erfolgt, als es der plastische Zustand des Mantels erforderlich macht. Ebenso können aber auch Kunstharz und Thermoplast derart aufeinander abgestimmt sein, dass die der Ummantelung folgende Aushärtung ohne zusätzliche Wärmezufuhr von aussen erfolgt, und die endgültige Formgebung durch Rollen oder Walzen ohne zwischengeschaltete Heizkammern erfolgen kann.
Als Verstärkungsmaterial werden insbesondere Stränge aus Glasfasern oder ausGlasfasernhergestell- te Gewebebänder verwendet, deren Breite etwa den Querschnittsausdehnungen bzw. dem abgewickelten Querschnitt des zu formenden Profils entspricht. Sie werden einzeln oder in mehreren Gruppen durch eine beispielsweise mit ungesättigtem Polyesterharz gefüllte Wanne geführt. Durch geeignete Mittel, wie Rollen, Ösen od. dgl. ist Sorge getragen, dass die in den Glasfasern haftenden Luftbläschen entweichen können und eine vollständige Tränkung der Stränge oder Bänder erfolgt. Das überschüssige Harz kann nunmehr am Ende der Wanne durch Abquetschen od. dgl. beseitigt werden.
Im folgenden wird der Strang durch Profildüsen oder Rollen kontinuierlich annähernd in diebenötig- te Querschnittsform gebracht und danach mit einem dünnen Mantel aus einem thermoplastischen Kunststoff versehen. Zweckmässig bedient man sich dazu einer Strangpresse, in welchem die Ummantelung erfolgt.
Als Material für die Ummantelung wird, wie erwähnt, ein Thermoplast mit einem Schmelzpunkt verwendet, welcher mindestens gleich oder höher als die Aushärtungstemperatur des Kunstharzes liegt, damit der dünne Mantel beim späteren Aushärten des Kunstharzes und der dabei auftretenden Reaktionswärme nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Ausserdem ist Dehnbarkeit, Flexibilität und ein nicht zu enger Schmelzbereich erforderlich. Diese Anforderungen erfüllen z. B. ein 61 - Polyamid oder auch Polyolefine hoher Dichte.
Da bei der erfindungsgemässen Arbeitsweise keine grossen Reibungskräfte auftreten, hat man die Möglichkeit, durch entsprechende Ausgestaltung der Rollen oder Düsen, welche das Abquetschen des überschüssigen Harzes vor der Ummantelung besorgen, einen relativ hohen Glasfasergehalt des Stranges zu erreichen und damit die Festigkeitseigenschaften des fertigen Erzeugnisses zu steigern, ohne die erforderlichen Abzugskräfte übermässig zu erhöhen.
Beim geschilderten Verfahren kommt es wesentlich darauf an, das Aktivierungssystem des Kunstharzes im Verhältnis zum Thermoplast so einzustellen, dass die Aushärtung des Kunstharzes beim Durchlaufen der Strangpresse trotz der kurzzeitigen Erwärmung des Stranges im Spritzkopf der Strangpresse und
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des nachfolgenden kurzzeitigen heissen Zustandes des auf den Strang aufgebrachten Thermoplastes unterbleibt.
Die auf diese Weise gewonnenen ummantelten Stränge können in dem entweder sofort dahinter geschalteten weiteren Verfahren kontinuierlich weiterverarbeitet oder als Halbzeug für eine spätere Weiterverarbeitung gelagert werden. Im letzteren Falle ist eine sofortige Kühlung des Mantels unter die Aushärtungstemperatur des Kunstharzes erforderlich.
In der Möglichkeit, die Verformung zeitlich unabhängig von der Herstellung des Halbzeuges vornehmen zu können, liegt ein grosser Vorteil. Man hat es nunmehr in der Hand, die Arbeitsgeschwindigkeiten der einzelnen Verfahrensabschnitte beliebig zu variieren und auf ihre Eigenarten abzustimmen.
Ferner kann man aus einem bestimmten Halbzeugquerschnitt nacheinander mehrere beliebige Profilformen herstellen, ohne den Lauf des Stranges unterbrechen zu müssen. Durch die Erfindung wird somit ein Weg aufgezeigt, der eine wirtschaftliche Fertigung von bisher nur umständlich oder überhaupt nicht herstellbaren interessanten Bauteilen ermöglicht.
Im zweiten Verfahrensabschnitt wird bei Weiterverarbeitung des Halbzeuges der noch nicht ausgehärtete Strang durch eine oder mehrere Heizkammern geführt, in denen er erwärmt wird, wobei die Viskosität des Kunstharzes herabgesetzt und auch eine allmähliche Erweichung des thermoplastischen Materials erreicht wird. Bereits während oder unmittelbar nach der Erwärmung erfolgt durch Walzen eine schrittweise Verformung des Querschnittes, und in weiteren Heizkammern, die der Strang mit regelbarer Geschwindigkeit durchläuft, erfolgt nach endgültiger Formgebung schliesslich die Aushärtung des Kunstharzes.
Beispielsweise kann ein bandförmiger Strang durch Walzen weiter verflacht und wesentlich dünner ausgewalzt werden, wobei der thermoplastische Mantel durch entsprechende Einstellung der Walzenachse zur Durchzugsrichtung auch in Querrichtung gedehnt und der spezifische Glasfasergehalt noch erhöht wird.
Das so gewonnene Flachband kann leicht durch Umlegen der Langseiten mittels weiterer Rollen oder Walzen z. B. zu einem beliebig-schenkeligen U-Profil verformt werden. Dabei braucht sich das hergestellte Profil keinesfalls in gleichbleibender Form über die gesamte Länge zu erstrecken, vielmehr sind abschnittweise beliebige Querschnittsveränderungen möglich. Die beiden Parallel-Schenkel eines UProfils können z. B. auf einem beliebig langen Stück zusammengedrückt oder anderweitig verformt werden.
Man hat es durch das erfindungsgemässe Verfahren völlig in der Hand, die herzustellende Profilform dem vorgesehenen Verwendungszweck anzupassen. Die Fertigung von T-, Doppel-T-, Kreuz-, Halbrund- oder beliebigen Profilformen erfolgt sinngemäss.
Sollen gebogene Profilstäbe hergestellt werden, so darf die Erwärmung während der Querschnittsformgebung nur beschränkt erfolgen, damit eine vorzeitige Aushärtung vermieden wird. Nach Erreichen des verlangten Profilquerschnittes wird der ummantelte Strang auf Schablonen, Rahmen od. dgl. in die endgültige gebogene Form gebracht und sodann in Wärmekammern oder mit ähnlichen Mitteln ausgehärtet.
Das erfindungsgemässe Verfahren bietet hier in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, Federelemente beliebiger Formgebung herzustellen. Durch Aufwickeln eines Rundprofils auf eine zylindrische Schablone lassen sich z. B. Schraubenfedern beliebiger Steigung herstellen. Bei gebündelten Blattfederpaketen ist besonders die Ummantelung von Vorteil, weil durch die auftretende Reibung zwischen den einzelnen Blättern nicht der faserverstärkte Kern in Mitleidenschaft gezogen wird. Der thermoplastische Mantel muss bei Federelementen jedoch so dünn wie möglich gehalten werden, um keine zu starken Dämpfungserscheinungen hervorzurufen.
In der beschriebenen Weise gefertigte Federn besitzen ein geringes Gewicht und sind antimagnetisch, korrosionsbeständig und von hoher Lebensdauer.
Bauteile aus mit parallel liegenden Glasfasersträngen verstärkten Kunstharzen zeigen bekanntlich hervorragende mechanische Werte und ein sehr hohes Arbeitsaufnahmevermögen. Werden als Verstärkungsmaterial ausschliesslich in Stranglängsrichtung verlaufende Glasfasern verwendet, so lässt sich eine etwaige zu geringe Scherfestigkeit in Längsrichtung und die Gefahr des Aufsplitterns des Profilstabes bei starker Biegebeanspruchung in der Weise verhindern, dass die Faserstränge vor der Ummantelung gleichzeitig, aber getrennt voneinander durch ein Kunstharztränkbad geführt und nach dem Verlassen desselben kurze Faserstückchen, insbesondere quer zur Laufrichtung der Stränge auf diese aufgebracht werden und hienach die Vereinigung zu einem gemeinsamen Strang erfolgt, welcher durch Walzen oder Profildüsen in eine Querschnittsform gebracht wird,
die der Profilform des Spritzkopfes der Strangpresse ent-
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spricht. Zweckmässigerweise werden die Faserstückchen auf die durch das Tr nkbad gezogenen Faserstränge in einer geschlossenen Kammer mittels eines oder mehrerer, gegebenenfalls sich kreuzender Luftströme angebracht. Der gemeinsame Strang, der durch Walzenpaare oder Profildüsen vorgeformt wird, kann vor Eintritt in den Spritzkopf wahlweise nochmals mit Faserstückchen versehen werden, die in willkürlicher Lage an der Strangoberfläche festkleben. In diesem Zustand erfolgt dann die endgültige Korrektur der Querschnittsform, um den Strang dem Profil des Spritzkopfes anzupassen.
Dadurch, dass die kurzen Faserstückchen auf die einzelnen Faserstränge in willkürlicher, insbesondere aber in Querlage aufgebracht werden, erreicht man, dass mit dieser zusätzlichen Verstärkung nach der Vereinigung zu einem Strang im Inneren desselben eine erhebliche Steigerung der Querfestigkeit eintritt und speziell bei dünnwandigen Profilen ein Aufsplittern bei starker Belastung vermieden wird.
Die Zeichnungen sollen in schematischer Darstellung das Verfahren weiter erläutern. Es zeigen Fig. 1 eine Draufsicht der Anlage des ersten Verfahrensabschnittes, Fig. 2 eine Seitenansicht der Anlage nach Fig. 1, Fig. 3 eine Seitenansicht des zweiten Verfahrensabschnittes und Fig. 4 einen Schnitt nach Linie A-A der Fig. 2.
Die Glasfaserstränge 1 werden durch eine mit härtbarem Kunstharz gefüllte Wanne 2 geleitet, wobei eine kammartig oder mit Ösen versehene Fachvorrichtung 3 für ein gleichmässiges Einlaufen der Stränge sorgt.
Die einzeln oder in mehreren Gruppen durch das Harzbad gezogenen Stränge werden durch Düsen 4 geführt, mittels derer das überschüssige Harz beseitigt wird. In der dahinter geschalteten Kammer 5 erfolgt das Aufbringen von kurzen Glasfaserstückchen mittels eines Luftstromes, der mit Glasfaserabschnitten variabler Länge und beliebiger Menge versehen aus mehreren Richtungen durch Schläuche oder Rohre 6 in die Kammer geführt wird. Ein Walzenpaar 7 vereinigt die einzelnen Teilstränge zu einem gemeinsamen Strang, auf dem in einer weiteren Kammer 8 erneut Faserstückchen aufgebracht werden können.
Eine Profildüse 9 formt nun den Strang in der Weise, dass dessen vollständige Ummantelung mit einem thermoplastischen Kunststoff im Querspritzkopf 10 der Strangpresse erfolgen kann. Verflüssigungsleistung bzw. Fördermenge der Strangpresse und Abzugsgeschwindigkeit des Stranges können so aufeinander abgestimmt sein, dass eine erhebliche Verstreckung des thermoplastischen Mantels und damit eine Verringerung der Dicke desselben erreicht wird.
Das Kühlbad 11 bewirkt eine rasche Abkühlung des ummantelten Stranges, und eine regelbare Abzugsvorrichtung 12 sorgt für den Abzug in an sich bekannter Weise. Das auf diese Art gewonnene strangförmige Halbzeug kann entweder sofort im zweiten Verfahrensabschnitt weiterverarbeitet werden oder es wird auf Haspeln 13 aufgewickelt, um einer späteren Weiterverarbeitung zugeführt zu werden.
Im zweiten Verfahrensabschnitt wird der laufende Strang in Heizkammern 14 erwärmt, um die Viskosität des Harzes herabzusetzen und um gleichzeitig den thermoplastischen Mantel zu erweichen und flexibler zu machen. Die Walzenpaare 17,18 verändern nunmehr das Querschnittsprofil in der gewünschten Weise und in weiteren Heizkammern 15 und 16 erfolgt die vollständige Aushärtung des so erhaltenen Profils. Die Anzahl der Heizkammern und die Länge der gesamten Verarbeitungsstrecke ist von der Aktivierung des Harzes und der gewünschten Durchlaufgeschwindigkeit abhängig. Eine Abzugsvorrichtung 19 sorgt für eine konstante Ablaufgeschwindigkeit, und mittels einer Trennscheibe 20 können die Profile auf beliebige Längen geschnitten werden.
Bei der Verfahrensanwendung zur Herstellung von in Längsrichtung gekrümmten bzw. beliebig geformten Profilstäben sind Heizkammern und Walzenpaare nur soweit vorgesehen, wie es eine Verformung zum endgültigen Querschnittsprofil erforderlich macht. Das Aufbringen der geformten Profilstäbe auf Schablonen, Rahmen od. dgl. und die nachfolgende Aushärtung in Heizkammern erfolgt in bekannter Weise und ist in der Darstellung nicht aufgezeigt. Eine vollständige Aushärtung durch längeres Tempern auf 100 - 1200C ist ohne weiteres möglich, da die gewählte thermoplastische Ummantelung dieser Temperatur standhält.
Die Ummantelung des glasfaserverstärkten Kunstharzstranges mit einem Thermoplast nach dem oben beschriebenen Verfahren hat den grossen Vorteil, dass bei der Wahl des Aushärtungssystems keinerlei Rücksicht auf eine auftretende Farbveränderung genommen zu werden braucht, da der thermoplastische Mantel unter Erhaltung der Festigkeitswerte des Harzes beliebig eingefärbt werden kann.
Als weitere Vorteile der auf den Profilen verbleibenden Ummantelung sind der Schutz des Stranges gegenAbrieb und mechanische Beschädigung sowie Feuchtigkeit und der Schutz gegen kurzzeitige Wärmeeinstrahlung anzuführen. Ausserdem war bisher eine völlig glatte Oberfläche bei Profilen oder Stäben
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mit relativ hohem Glasfaseranteil ohne zusätzlicher Nacharbeit nicht zu erreichen, und bei Teilen die z. B. mit den Händen ständig angefasst werden, stören austretende Glasfasern ganz erheblich. Auch dieser Mangel wird durch das beschriebene Verfahren beseitigt.
Das erfindungsgemässe Verfahren bietet darüber hinaus die Möglichkeit, dünnwandige Profile beliebigen Querschnittes und beliebiger Formgebung aus glasfaserverstärktem Kunstharz rationell herzustellen und sich der hervorragenden Eigenschaften dieser Materialkombination auch auf diesem Gebiet zu bedienen. Die Anwendung des Verfahrens ist dabei keinesfalls auf die hier aufgezeigten Beispiele beschränkt, vielmehr eröffnen sich weitere, bisher nicht erschlossene Anwendungsgebiete für glasfaserverstärkte Kunstharze.