DE102009016596A1 - Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils sowie hochsteifes, hybrides Endlosprofil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, hybriden Endlosprofils, wobei ein Verstärkungsfasern enthaltendes Roving in eine profilierte Gestalt überführt wird und danach das profilierte Roving im Wege eines Extrusionsprozesses mit einer Kunststoffschicht ummantelt wird. Gegenstand der Erfindung ist auch ein hochsteifes, hybrides Endlosprofil.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils.
  • In der Vergangenheit haben sich unterschiedliche Fertigungsverfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen etabliert. Dies sind einerseits die Hochdruckverfahren, insbesondere das Spritzgießen, die Extrusion sowie das Fließpressen und andererseits die Niederdruckverfahren, wie z. B. RTM (Resin Transfer Molding) und Autoklav-Verfahren. Während sich die Hochdruckverfahren insbesondere durch die hiermit möglichen hohen Produktionsgeschwindigkeiten auszeichnen, können mit den Niederdruckverfahren Bauteile mit sehr hohen mechanischen Festigkeiten hergestellt werden. Die Bereitstellung solcher Bauteileigenschaften sind mit den Hochdruckverfahren nicht bzw. nur mit erheblichem Aufwand möglich. Bei den Niederdruckverfahren sind die erforderlichen langen Aushärtezeiten der dabei eingesetzten Kunststoffe nachteilig, da dies die Ausstoßraten verringert und somit die Herstellkosten derartiger Bauteile erhöht. Deshalb ist bei einem Vergleich der im Stand der Technik bekannten Verfahren festzustellen, dass die Anforderung an eine Großserienfertigkeit einerseits und die Erfordernis einer sehr hohen mechanischen Belastbarkeit der gefertigten Bauteile andererseits sich gegenseitig ausschließen. Bei den Niederdruckverfahren ist aufgrund der Aushärtezeiten der verwendeten duroplastischen Harzsysteme die die Zykluszeit bestimmende Abkühldauer wesentlich länger als bei den Thermoplasten, welche mit den Hochdruckverfahren verarbeitet werden können. Darüber hinaus erfordern die Niederdruckverfahren in der Regel eine diskontinuierliche Fertigung, welche sich ebenfalls negativ auf die Produktionskosten auswirkt.
  • Vor dem beschriebenen Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem hoch belastbare Strukturprofile mit einer hohen Produktionsgeschwindigkeit hergestellt werden können.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils,
    wobei ein Verstärkungsfasern enthaltendes Roving in eine profilierte Gestalt überführt wird und
    danach das profilierte Roving im Wege eines Extrusionsprozesses mit einer Kunststoffschicht ummantelt wird.
  • Erfindungsgemäß wird eine in der Regel thermoplastische Kunststoffschicht extrudiert, wobei die mechanische Festigkeit des Profils durch ein Verstärkungsfasen enthaltendes, profiliertes Roving bereitgestellt wird, welches von dem extrudierten Kunststoff, vorzugsweise vollständig, ummantelt wird. Als Verstärkungsfasern kommen vorzugsweise Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern zum Einsatz. Das Roving liegt hierbei in der Regel ebenfalls als endloses Produkt vor, so dass die mit dem Roving erzeugte Verstärkungsschicht zur Herstellung endloser Profil geeignet ist. „Endlos” meint, dass die Länge des entsprechenden Gegenstandes um ein Vielfaches größer als dessen andere Abmessungen ist, so dass ein kontinuierlicher Fertigungsprozess möglich ist. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre können die hohen Produktionsgeschwindigkeiten, welche mit einem Extrusionsprozess möglich sind, und die hohe mechanische Belastbarkeit der hiermit hergestellten Bauteile miteinander kombiniert werden.
  • Vorzugsweise wird ein Roving verwendet, welches neben den Verstärkungsfasern auch Kunststofffasern enthält. Bei diesem Hybridroving können die Kunststofffasern ebenfalls thermoplastische Eigenschaften aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden diese Kunststofffasern im Fertigungsprozess zumindest teilweise aufgeschmolzen, um die Steifigkeit des Rovings während der Profilgebung zu erhöhen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass während des Profilierungsvorganges der Rovingschicht gleichzeitig eine Vorwärmung des Rovings erfolgt.
  • Vorzugsweise wird ein Roving verwendet, dessen Fasern sich überkreuzen, z. B. in Form eines geflochtenen Rovings. Das Roving kann als Gewebe ausgebildet sein. Insbesondere können Fasern derart zueinander ausgerichtet sein, dass sie gemeinsam eine rautenförmige Struktur bilden. Hierdurch weist das Roving einen flächigen Verbund auf, der in Flä chenebene in beliebige Richtungen hoch belastbar ist, wodurch es auch auf sehr einfache Art und Weise verarbeitet werden kann. Ferner kann die das Roving ummantelnde Kunststoffschicht ebenfalls Verstärkungsfasern, z. B. Glas- und/oder Kohlenstofffasern, enthalten, um die Festigkeit des hybriden Endlosprofils weiter zu erhöhen.
  • Die Profilierung des Rovings kann beispielsweise in einer Umformeinrichtung erfolgen. In diesem Fall wird in der Regel ein offenes Profil aus dem Roving erzeugt. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass die Profilierung des Rovings dadurch erfolgt, dass es auf ein Kunststoff-Extrusionsprofil aufgebracht, vorzugsweise aufgewickelt oder geflochten, wird. In diesem Fall liegt ein zumindest dreischichtiger Aufbau mit dem innen liegenden Extrusionsprofil, der Rovingschicht als Zwischenlage und der ummantelnden Kunststoffschicht als äußere Lage vor. Entsprechend ist hier die vom Roving gebildete Profilschicht geschlossen. Dabei reicht es hier in der Regel aus, dass die ggf. zur Aufschmelzung der Thermoplastfasern im Roving erforderliche Vorwärmung des Rovings über den flächigen Kontakt mit dem noch warmen Kunststoff-Extrusionsprofil erfolgt. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält das Kunststoff-Extrusionsprofil ebenfalls Verstärkungsfasern, z. B. Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern, wobei hier Kurzfasern und/oder Endlosfasern zum Einsatz kommen können.
  • Das erfindungsgemäße hybride Endlosprofil kann sowohl als offenes Profil als auch als geschlossenes Profil ausgebildet werden. Generell lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die vielfältigsten Geometrien realisieren.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein hochsteifes, hybrides Endlosprofil gemäß Anspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Profils sind in den Unteransprüchen 11 bis 14 beschrieben.
  • Besondere Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Lehre sind zum Beispiel Kühlgeräte-Rahmen, Abdeckprofile, Griffleisten, LKW-Bau, Flugzeugbau, Rahmenprofile für Klimaanlagen, Fensterprofile, Kanalrohr-Systeme und Automobilbau, insbesondere Strukturbauteile, z. B. als Ersatz von Metallprofilen oder Organoblechen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
  • 1 eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils;
  • 2 ein alternatives Herstellungsverfahren und
  • 3 den Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes hochsteifes, hybrides Endlosprofil.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils dargestellt. Hierbei wird ein Glasfasern enthaltendes Roving 1 in eine dreidimensional profilierte Gestalt überführt. Alternativ bzw. ergänzend zu den Glasfasern können auch Kohlenstofffasern eingesetzt werden. Danach wird das profilierte Roving 1 im Wege eines Extrusionsprozesses 2 mit einer thermoplastischen Kunststoffschicht 3 vollständig ummantelt. Das eingesetzte Roving 1 weist neben den Glasfasern zusätzlich auch Kunststofffasern aus thermoplastischem Material auf. Die Profilierung des Rovings 1 erfolgt dadurch, dass es auf ein mittels eines weiteren Extrusionsprozesses 4 hergestellten Kunststoff-Extrusionsprofil 5 aus einem mit Glasfasern verstärkten Thermoplast aufgewickelt oder geflochten wird. Hierdurch wird eine geschlossene Kontur der aus dem Roving 1 bestehenden Verstärkungsschicht 6 des herzustellenden Endlosprofils erzeugt. Aufgrund des Kontaktes des hybriden Rovings 1 mit dem noch warmen Extrusionsprofil 5 werden die Kunststofffasern teilweise aufgeschmolzen, wodurch sich die Steifigkeit des Rovings 1 während der Profilgebung und zusätzlich die Verbindungswirkung zum Extrusionsprofil 5 erhöhen. Es wird ein Roving 1 verwendet, dessen Fasern sich überkreuzen, so dass ein flächiger Verbund vorliegt. Im Ausführungsbeispiel weist die äußere thermoplastische Kunststoffschicht 3 keine zusätzlichen Verstärkungsstoffe auf, enthält also insbesondere keine Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Das Kunststoff-Extrusionsprofil 5 ist als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet, welches mehrere Verrippungen 7 und hierdurch bedingt eine Vielzahl von Hohlkammern 8 aufweist. Das Roving 1 wird während der kontinuierlichen Extrusion des inneren Profils 5 von einer Rolle 9 abgewickelt, deren Achse x zumindest im Wesentlichen parallel zur Extrusionsrichtung ausgerichtet ist. Im zweiten Extrusionsprozess 2 wird dieses gewickelte Roving 1 dann mit der äußeren Kunststoffschicht 3 ummantelt.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 entfällt das innere Kunststoff-Extrusionsprofil und das Roving 1 wird von einer Rolle 9 abgewickelt, deren Achse x' zumindest im Wesentli chen senkrecht zur Extrusionsrichtung ausgerichtet ist. Das bandförmige Roving 1 wird kontinuierlich von der Rolle 9 abgezogen und zunächst einem Umformungs- und Vorwärmungsprozess unterzogen. Zur Umformung des Rovings 1 in die profilierte Gestalt wird eine Umformeinrichtung 10 eingesetzt, in der gleichzeitig eine Vorwärmung des hybriden Rovings 1 aus Glasfasern und Kunststofffasern erfolgt. Aufgrund der Vorwärmung werden die Kunststofffasern zumindest teilweise aufgeschmolzen, um die Steifigkeit des Rovings 1 während der Profilgebung zu erhöhen. Das hierbei erhaltene Rovingprofil 6 weist eine offene Kontur auf. An den Profilierungsvorgang des Rovings 1 schließt sich in Analogie zum in 1 dargestellten Verfahren eine Ummantelung des Rovings durch einen Extrusionsschritt an. Als Extrusionsmaterial wird hierbei ein mit Glasfasern verstärkter Thermoplast eingesetzt. Der 2 ist zu entnehmen, dass in diesem Extrusionsprozess 2 nicht nur eine äußere Ummantelung der Rovingschicht erfolgt, sondern auch die von dem Roving 1 durch die Profilkontur gebildete Kavität 11 vom Extrudat zumindest teilweise ausgefüllt wird. Im Ausführungsbeispiel wird durch die Extrusion in die Kavität 11 ein wiederum hohles, aber nach außen hin geschlossenes Hohlkammerprofil mit mehreren Verrippungen 7 eingebracht.
  • Als dem Kunststoff-Extrusionsprofil 5 bzw. der Kunststoffschicht 3 beigemischte Glasfasern können sowohl Kurzglasfasern und/oder Endlosfasern eingesetzt werden. Die 3 zeigt ein erfindungsgemäßes hochsteifes, hybrides Endlosprofil in der Querschnittsdarstellung. Dieses weist eine Verstärkungsschicht 6 aus einem profilierten, Glasfasern enthaltenden Roving 1 und eine die Verstärkungsschicht 6 vollständig umgebende Kunststoffschicht 3 auf. Das Roving 1 enthält zusätzlich zumindest teilweise aufgeschmolzene Kunststofffasern. Die Verstärkungsschicht 6 ist auf ein Kunststoff-Extrusionsprofil 5, der sog. Kernkomponente, aufgebracht, vorzugsweise aufgewickelt, wodurch die Profilgebung des Rovings 1 erfolgt ist. Entsprechend wird das in 3 dargestellte Profil nach einem Verfahren gemäß 1 hergestellt. Die auch als Hautkomponente bezeichnete Kunststoffschicht 3 umschließt die Verstärkungsschicht 6 vollständig und besteht aus einem thermoplastischen, vorzugsweise unverstärkten, Kunststoff. Der 3 kann ferner entnommen werden, dass die Verstärkungsschicht 3 Verrippungen 7 mit inneren Hohlkammern 8 aufweist. Das Kunststoff-Extrusionsprofil 5 (Kernkomponente) ist mit Kurzglasfasern und/oder Endlosfasern verstärkt. Als Thermoplaste für das Kunststoff-Extrusionsprofil 5 eignen sich insbesondere PP, PA 6 und PVC-Granulat.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils, wobei ein Verstärkungsfasern enthaltendes Roving in eine profilierte Gestalt überführt wird und danach das profilierte Roving im Wege eines Extrusionsprozesses mit einer Kunststoffschicht ummantelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Roving verwendet wird, welches neben Verstärkungsfasern auch Kunststofffasern enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffasern zumindest teilweise aufgeschmolzen werden, um die Steifigkeit des Rovings während der Profilgebung zu erhöhen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Roving verwendet wird, dessen Fasern sich überkreuzen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht ebenfalls Verstärkungsfasern, vorzugsweise Glas- und/oder Kohlenstofffasern enthält.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Roving in einer Umformvorrichtung profiliert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung des Rovings dadurch erfolgt, dass es auf ein Kunststoff-Extrusionsprofil aufgebracht, vorzugsweise aufgewickelt oder geflochten, wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Extrusionsprofil ebenfalls Verstärkungsfasern, vorzugsweise Glasfasern, enthält.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosprofil als offenes Profil oder als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet wird.
  10. Hochfestes, hybrides Endlosprofil mit – einer Verstärkungsschicht (6) aus einem profilierten, Verstärkungsfasern enthaltenden Roving (1) und – einer die Verstärkungsschicht (6) umgebenden Kunststoffschicht (3).
  11. Endlosprofil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Roving (1) zusätzlich zumindest teilweise aufgeschmolzene Kunststofffasern enthält.
  12. Endlosprofil nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (6) auf ein Kunststoff-Extrusionsprofil (5) aufgebracht, vorzugsweise aufgewickelt oder geflochten, ist.
  13. Endlosprofil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (3) und/oder das Kunststoff-Extrusionsprofil (5) ebenfalls Verstärkungsfasern, vorzugsweise Glasfasern, enthält.
  14. Endlosprofil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosprofil Verrippungen (7) mit inneren Hohlkammern (8) aufweist.
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