DE102009051058A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils sowie faserverstärktes Extrusionsprofil - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils sowie faserverstärktes Extrusionsprofil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils, wobei zunächst mindestens ein bandförmiges Faser-Matrix-Halbzeug aus einer Kunststoff-Matrix, in die Verstärkungsfasern integriert sind, vorgewärmt und dieses danach in eine Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, Kunststoff-Extrusionsprofile mittels Stahl- bzw. Blecharmierungen zu verstärken. Dies führt zwar zur gewünschten Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit des Profils, ist aber auch mit Nachteilen verbunden. Zu nennen sind hier die vergleichsweise hohen Herstellungskosten, das durch die Metalleinlage bedingte deutlich höhere Gewicht und die fehlende Verschweißbarkeit. Darüber hinaus zeigen diese Verbundprofile thermische Eigenschaften, die häufig unerwünscht sind, und neigen zur Korrosion.
  • Es ist ferner bekannt, Kunststoffprofile mittels rein unidirektional ausgerichteten, nebeneinander liegenden Verstärkungsfasern zu armieren. Gegenüber der Stahlarmierung zeichnet sich dieses Verfahren durch ein geringeres Gewicht der damit hergestellten Profile aus. Allerdings ist auch die Performance, also die mechanische Belastbarkeit, hier deutlich niedriger als bei einer Stahlarmierung. Ferner wird bei diesem Verfahren eine Pull-Extrusion eingesetzt, welche gegenüber einer klassischen Extrusion verfahrenstechnische Nachteile aufweist.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Extrusionsprofils anzugeben, welches sich durch eine sehr hohe mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig niedrigem Gewicht auszeichnet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils, wobei zunächst mindestens ein bandförmiges Faser-Matrix-Halbzeug aus einer Kunststoff-Matrix, in die Verstärkungsfasern integriert sind, vorgewärmt und dieses danach in eine Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert wird. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeuges wird die mechanische Performance gegenüber einer allein aus nebeneinander liegenden Verstärkungsfasern bestehenden Armierung deutlich erhöht. Gegenüber einer Stahlarmierung zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch ein deutlich geringeres Gewicht des damit hergestellten Extrusionsprofils aus. Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der Basis-Kunststoff-Matrix um ein unverstärktes Material. Als Materialien können hier vorzugsweise Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET) oder aber auch Polyphenylensulfid (PPS) sowie Mischungen der vorgenannten Materialien zum Einsatz kommen. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, für die Basis-Kunststoff-Matrix selbst bereits ein mit Fasern (z. B. Glas- und/oder Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern) verstärktes Material zu verwenden, wobei natürlich auch hier die gerade genannten Materialien zur Bereitstellung der Matrix zum Einsatz kommen können.
  • Als Verstärkungsfasern werden vorzugsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern eingesetzt, wobei auch Mischungen von zwei der genannten Fasermaterialien bzw. aller drei Fasermaterialien im Rahmen der Erfindung liegen. Die Verstärkungsfasern werden zunächst in der Kunststoff-Matrix getränkt und bilden nach der Konsolidierung der Matrix gemeinsam mit dieser das Faser-Matrix-Halbzeug. Bevorzugte Einsatzgebiete der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Extrusionsprofile sind der Automobilbau (PKW- und/oder LKW-Bau), der Kühlgerätebau (insbesondere Kühlgeräterahmen), Klimaanlagenbau, der Baubereich allgemein, insbesondere Fensterprofile und Pfostenprofile, der Flugzeug- und auch der Schiffsbau. Die Profile sind aber selbstverständlich auch im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau einsetzbar. Zweckmäßigerweise wird die Oberfläche des Extrusionsprofils ausschließlich von der Basis-Kunststoff-Matrix gebildet.
  • Vorzugsweise wird das Faser-Matrix-Halbzeug vor dem Extrusionsprozess umgeformt, insbesondere geknickt oder gekrümmt. Insbesondere ist auch eine mehrfache Knickung möglich. Dies erlaubt eine flexible Anpassung der Geometrie der Faser-Verstärkung an den Querschnitt des Extrusionsprofils. Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass mehrere Faser-Matrix-Halbzeuge in die Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert werden. Als Material für die Kunststoff-Matrix, in die die Verstärkungsfasern integriert sind, eignet sich insbesondere PP, PA, PBT, PET oder PPS bzw. Mischungen dieser Materialien.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Faser-Matrix-Halbzeug ein thermoplastisches Halbzeug, insbesondere ein Organoblech, verwendet. Dieses Halbzeug kann Endlosfasern aufweisen, die z. B. unidirektional ausgerichtet oder aber auch beispielsweise als Gewebe ausgebildet sind. Als Alternative ist auch der Einsatz von einem duroplastischen Prepreg denkbar.
  • Die Verstärkungsfasern können allesamt in Bahnrichtung ausgerichtet sein. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass die Verstärkungsfasern des Faser-Matrix-Halbzeuges gitterförmig angeordnet sind. Vorzugsweise ist die Gitterform derart ausgebildet, dass die Verstärkungsfasern rechtwinklig zueinander verlaufen.
  • Die Verstärkungsfasern können hierbei z. B. parallel bzw. senkrecht zur Bahnrichtung oder aber alternativ auch in einem Winkel von ca. 45° zur Bahnrichtung ausgerichtet sein.
  • Das Extrusionsprofil selbst kann als geschlossenes oder aber auch als offenes Hohlprofil ausgebildet sein. Ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegt es, dass das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Extrusionsprofil neben dem Faser-Matrix-Halbzeug zusätzlich eine Metallarmierung, beispielsweise in Form eines einextrudierten Metallbleches, enthält. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass mehrere Faser-Matrix-Halbzeuge übereinander in geschichteter Form in die Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert werden. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass bei der oben erwähnten gitterförmigen Ausrichtung der Verstärkungsfasern mehrere Gitterlagen von Verstärkungsfasern übereinandergeschichtet und dann gemeinsam in die Kunststoff-Matrix zur Bildung des Faser-Matrix-Halbzeuges integriert werden. Bei diesem mehrschichtigen Aufbau können insbesondere die o. g. parallel bzw. senkrecht zur Bahnrichtung ausgerichteten Gitter einerseits und die unter einem Winkel von ca. 45° zur Bahnrichtung ausgerichtete Gitter andererseits übereinander geschichtet werden, beispielsweise wechselseitig, so dass mehrere unterschiedliche Gitterlagen miteinander kombiniert werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein faserverstärktes Endlosprofil gemäß Anspruch 10.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
  • 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils,
  • 2 unterschiedliche Ausführungsformen hinsichtlich der Ausrichtung der Verstärkungsfasern eines mit einem Verfahren gemäß 1 hergestellten Extrusionsprofils und
  • 3a bis 3f unterschiedliche, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Extrusionsprofile in der Querschnittsdarstellung.
  • 4 den Schnitt A-A in 1
  • 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils 1. Zunächst werden zwei bahnförmige Faser-Matrix-Halbzeuge 2 von Bandrollen 10 abgezogen und mittels Wärmestrahler 3 vorgewärmt. Die Faser-Matrix-Halbzeuge 2 weisen Verstärkungsfasern 4 (s. 4) aus Glas- und/oder Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern auf, wobei die Verstärkungsfasern 4 in eine Kunststoff-Matrix 5 integriert sind. Nach der Vorwärmung werden die Faser-Matrix-Halbzeuge 2 in eine unverstärkte (oder alternativ auch faserverstärkte) Basis-Kunststoff-Matrix 6 einextrudiert. Das Material der Basis-Kunststoff-Matrix 6, z. B. PVC, PA, PP, PBT, PET, PPS oder Mischungen der genannten Materialien, wird einem Extruder 7 zugeführt, so dass am Austritt des Extruders 7 das gewünschte faserverstärkte Extrusionsprofil 1 vorliegt. Wie den 3a bis 3f entnommen werden kann, wird die Oberfläche des Extrusionsprofils 1 ausschließlich von der Basis-Kunststoff-Matrix 6 gebildet. Bei den Ausführungsformen gemäß 3b, 3d und 3e wurde das bzw. wurden die Faser-Matrix-Halbzeuge 2 vor dem Extrusionsprozess geknickt, bei den Ausführungsbeispielen gemäß 3d und 3e jeweils zweifach. Alternativ hierzu ist, beispielsweise bei der Herstellung von Rohren, auch eine Krümmung der Faser-Matrix-Halbzeuge vor dem Extrusionsprozess denkbar. Im Ausführungsbeispiel werden als Faser-Matrix-Halbzeuge 2 Organobleche verwendet.
  • Die 2 zeigt schematisch unterschiedliche Ausrichtungen der in die Kunstoff-Matrix 5 integrierten Verstärkungsfasern 4 in Bezug auf die Bahnrichtung x (s. 1) des Faser-Matrix-Halbzeuges 2. In der linken Darstellung der 2 sind die Verstärkungsfasern 4 allesamt in Bahnrichtung x ausgerichtet. In der mittleren und rechten Darstellung sind die Verstärkungsfasern 4 gitterförmig angeordnet. Während in der mittleren Darstellung die Verstärkungsfasern 4 parallel bzw. senkrecht zur Bahnrichtung x ausgerichtet sind, sind in der rechten Darstellung die Verstärkungsfasern 4 in einem Winkel α von 45° zur Bahnrichtung x ausgerichtet. Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere, die Gitteranordnungen gemäß der mittleren und rechten Darstellung der 2 miteinander zu kombinieren, indem beispielsweise Gitterlagen 8 unterschiedlicher Ausrichtung übereinandergeschichtet und gemeinsam in die Kunststoff-Matrix 5 integriert werden. Entsprechend werden Gitterlagen 8 unterschiedlicher Ausrichtung miteinander kombiniert und dadurch die Gesamtsteifigkeit des damit hergestellten Faser-Matrix-Halbzeuges 2 erhöht.
  • In den 3a, 3b und 3e ist das Extrusionsprofil 1 als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet. Alternativ hierzu ist aber auch denkbar, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein offenes Hohlprofil zu erzeugen (3d). In den soeben genannten Ausführungsbeispielen ist der Querschnitt des Extrusionsprofils 1 rechtwinklig, insbesondere quadratisch. Die 3c und 3f zeigen hingegen ein Doppel-T-Profil, wobei natürlich auch ein einfaches T-Profil im Rahmen der Erfindung liegt. Ferner sind selbstverständlich auch andere Querschnittsprofile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Bei dem in 3f dargestellten Profil 1 wurde neben dem Faser-Matrix-Halbzeug 2 zusätzlich ein Metallblech 9 in die Basis-Kunststoff-Matrix 6 einextrudiert.
  • Die 4 zeigt ein bandförmiges Faser-Matrix-Halbzeug 2 im Querschnitt. Es ist erkennbar, dass die Verstärkungsfasern 4 in die Kunststoff-Matrix 5 integriert sind und gemeinsam mit dieser das Faser-Matrix-Halbzeug 2 bilden. Zur Herstellung des Faser-Matrix-Halbzeuges 2 werden die Verstärkungsfasern 4 zunächst in der Kunststoff-Matrix 5 getränkt. Danach erfolgt die Konsolidierung der Matrix 5, wodurch das fertige Faser-Matrix-Halbzeug 2 entsteht. Dieses wird dann während des Extrusionsprozesses in die Basis-Kunststoff-Matrix 6 einextrudiert.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils, wobei zunächst mindestens ein bandförmiges Faser-Matrix-Halbzeug aus einer Kunststoff-Matrix, in die Verstärkungsfasern integriert sind, vorgewärmt und dieses danach in eine Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Extrusionsprofils ausschließlich von der Basis-Kunststoff-Matrix gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Matrix-Halbzeug vor dem Extrusionsprozess umgeformt, insbesondere geknickt oder gekrümmt, wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Faser-Matrix-Halbzeuge in die Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Organoblech ausgebildetes Faser-Matrix-Halbzeug verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern des Faser-Matrix-Halbzeuges allesamt in Bandrichtung ausgerichtet sind.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern des Faser-Matrix-Halbzeuges gitterförmig angeordnet sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern parallel bzw. senkrecht zur Bandrichtung oder unter einem Winkel von ca. 45° zur Bahnrichtung ausgerichtet sind.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Extrusionsprofil als geschlossenes oder offenes Hohlprofil ausgebildet ist.
  10. Faserverstärktes Endlosprofil (1) mit mindestens einem bandförmigen Faser-Matrix-Halbzeug (2) aus einer Kunststoff-Matrix (5), in die Verstärkungsfasern (4) integriert sind, wobei das Faser-Matrix-Halbzeug (2) in eine Basis-Kunststoff-Matrix (6) einextrudiert ist.
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