DE102010015021A1

DE102010015021A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils sowie faserverstärktes Extrusionsprofil

Info

Publication number: DE102010015021A1
Application number: DE102010015021A
Authority: DE
Inventors: Dr. Quandt Edgar; Dr. Michel Peter
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-10-20
Also published as: WO2011128048A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils, wobei mindestens eine Verstärkungsfasern enthaltende Armierung in eine Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert wird, wobei die Armierung neben den Verstärkungsfasern zusätzlich die Steifigkeit der Armierung erhöhende Stabilisierungsfasern aus einem sich von den Verstärkungsfasern unterscheidenden Material enthält. Hierdurch wird die Formstabilität der Armierung während der Einbringung derselben in die Basis-Kunststoff-Matrix erhöht. Gegenstand der Erfindung ist auch ein faserverstärktes Extrusionsprofil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils.
In der Vergangenheit haben sich unterschiedliche Fertigungsverfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen etabliert. Dies sind einerseits die Hochdruckverfahren, insbesondere das Spritzgießen, die Extrusion sowie das Vliespressen, und andererseits die Niederdruckverfahren, wie z. B. RTM (Resin Transfer Moulding) 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 ist 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 Anforderungen an eine Großserienfertigkeit einerseits und das 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.
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. Generell besteht beim Einsatz der unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern das Problem, dass diese aufgrund ihrer geringen Eigenstabilität während des Extrusionsprozesses eine sehr genaue Führung benötigen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils anzugeben, welches einfach durchführbar ist und trotzdem die Herstellung vergleichsweise komplexer, hoch belastbarer Profilgeometrien ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils,
wobei mindestens eine Verstärkungsfasern enthaltende Armierung in eine Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert wird und
wobei die Armierung neben den Verstärkungsfasern zusätzlich die Steifigkeit des Rovings erhöhende Stabilisierungsfasern aus einem sich von den Verstärkungsfasern unterscheidenden Material enthält, so dass hierdurch die Formstabilität der Armierung während der Einbringung desselben in die Basis-Kunststoff-Matrix erhöht wird.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, mittels einer hybriden Armierung einerseits die gewünschte Stabilität im Endprodukt, also dem Extrusionsprofil, gewährleisten zu können und andererseits die Einextrusion der Armierung zu erleichtern. Während die Verstärkungsfasern die mechanische Belastbarkeit des hergestellten Extrusionsprofils erhöhen, gewährleisten die Stabilisierungsfasern, dass die Armierung beim Einlaufen in den Extruder formstabil bleibt und entsprechend eine sehr gezielte, exakte Verstärkung mit Hilfe des Armierungs-Materials erreicht werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Verarbeitungs-Steifigkeit der Armierung derjenigen eines Metallblechs anzunähern.
Vorzugsweise umfasst die Armierung mindestens ein Gewebe, Geflecht, Gewirke oder, vorzugsweise unidirektionales, Roving. Grundsätzlich ist der Einsatz beliebiger Endlosfaser-Verbindungstechniken denkbar, um die Armierung herzustellen. Die Verstärkungsfasern enthalten zweckmäßigerweise Mineral-, insbesondere Glas-, und/oder Kohlenstoff- und/oder Aramid- und/oder Basaltfasern. Vorzugsweise bestehen die Verstärkungsfasern aus einem oder einer Mischung mehrerer der vorgenannten Materialien. Die Stabilisierungsfasern enthalten hingegen vorzugsweise Metall- und/oder Kunststofffasern, wobei die Stabilisierungsfasern insbesondere aus Metall- und/oder Kunststofffasern bestehen. Als Kunststofffasern eignen sich z. B. hochfeste Kunststofffasern, beispielsweise aus Polyester. Als metallische Werkstoffe kommen z. B. Eisen, Stahl oder Edelstahl in Betracht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung läuft die Armierung als dreidimensionales Gebilde in den Extrusionsprozess ein. Dieses dreidimensionale Gebilde kann beispielsweise einen T-, L- oder Doppel-T-Querschnitt besitzen. Um z. B. ein T- oder Doppel-T-Profil herzustellen, können einzelne Armierungsbänder entsprechend miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Heften, Kleben, Nähen oder ähnliche Verbindungstechniken. Die erfindungsgemäßen Stabilisierungsfasern stellen auch bei diesen komplexeren Geometrien der Armierung die erforderliche Verarbeitungs-Steifigkeit desselben beim Einlaufen in den Extrusionsprozess sicher. Das Extrusionsprofil kann als offenes oder alternativ auch als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet sein.
Die Verstärkungsfasern können in Extrusionsrichtung ausgerichtet sein, während die Stabilisierungsfasern vorzugsweise quer zur Extrusionsrichtung ausgerichtet sind. Denkbar sind jedoch auch andere Anordnungen, indem beispielsweise zusätzlich auch einzelne Verstärkungsfasern quer zur Extrusionsrichtung verlaufen und/oder einzelne Stabilisierungsfasern in Extrusionsrichtung. Die Verstärkungsfasern besitzen zweckmäßigerweise eine Dicke von 0,005 mm bis 0,02 mm, während die Dicke der Stabilisierungsfasern vorzugsweise 0,01 mm bis 0,1 mm beträgt. Die Basis-Kunststoff-Matrix enthält z. B. Polypropylen und/oder PVC und/oder Polyethylen bzw. besteht aus einem oder einer Mischung mehrerer der vorgenannten Materialien. Zweckmäßigerweise wird die Oberfläche des Extrusionsprofils ausschließlich von der Basis-Kunststoff-Matrix gebildet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein faserverstärktes Extrusionsprofil, welches mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wird.
Bevorzugte Einsatzgebiete der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Extrusionsprofile sind der Automobilbau (PKW- und/oder LKW-Bau) – insbesondere Strukturbauteile hierfür, wie z. B. Fahrzeugaufbauten, Anhänger, Türsysteme –, der Kühlgerätebau (insbesondere Kühlgeräterahmen), Klimaanlagenbau (insbesondere Rahmenprofile hierfür), der Baubereich allgemein – insbesondere Fensterprofile, Pfostenprofile und Kanalrohr-Systeme, Lichtkuppeln, Lichtbänder, Rauch- und Wärmeabzugsanlagen, Gewächshäuser, gewerblicher Gartenbau, Hallen-, Zelt- oder Messebau, Überdachungen, Rahmensysteme für Duschkabinen, Rahmensysteme für Solarzellenanlagen, Regalsysteme –, der Flugzeug- und auch der Schiffsbau. Die Profile sind aber selbstverständlich auch im allgemeinen Maschinen- und Anlagenbau einsetzbar (z. B. als Abdeckprofile oder Griffleisten bzw. für Verpackungssysteme), beispielsweise als Ersatz von Metallprofilen oder Organoblechen.
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 a) bis d) hinsichtlich der Gestalt einer Armierung zur Herstellung der Faserverstärkung, jeweils in Ausschnittsdarstellung, und
3a bis 3h unterschiedliche, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Extrusionsprofile in der Querschnittsdarstellung.
1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils 1. Zunächst werden zwei bahnförmige Armierungen 2 von Bandrollen 3 abgezogen und optional mittels Wärmestrahler 4 vorgewärmt. Die Armierungen 2 enthalten Verstärkungsfasern 5 (2), welche in einem Extruder 6 in eine Basis-Kunststoff-Matrix 7 einextrudiert werden. Die Basis-Kunststoff-Matrix 7 kann aus unverstärktem Kunststoffmaterial, alternativ aber auch aus einem ebenfalls faserverstärktem Kunststoff-Material bestehen. Wie der 2 zu entnehmen ist, enthält eine Armierung 2 neben den Verstärkungsfasern 5 zusätzlich die Steifigkeit der Armierung 2 erhöhende Stabilisierungsfasern 8 aus einem sich von dem Verstärkungsfasern 5 unterscheidenden Material. Hierdurch wird die Formstabilität der Armierung 2 während der Einbringung desselben in die Basis-Kunststoff-Matrix 7 im Extrusionsprozess erhöht.
Im Ausführungsbeispiel sind die Armierungen 2 als Gewebe ausgebildet. Die Verstärkungsfasern 5 bestehen im Ausführungsbeispiel aus Glasfasern, während die Stabilisierungsfasern 8 aus hochfesten Polyesterfasern bestehen. Die Aufgabe der Stabilisierungsfasern 8 liegt insbesondere in der Versteifung des Gewebes 2 zur Vereinfachung des Handlings und zur Stabilisierung im Extrusionsprozess bis zum Kontakt mit der Schmelze der Basis-Kunststoff-Matrix 7 im Extrusionswerkzeug. Insofern liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass die Stabilisierungsfasern 8 während des Extrusionsprozesses aufschmelzen, da die Versteifungswirkung im fertigen Extrusionsprofil 1 zumindest weitgehend auf der Einextrusion der Verstärkungsfasern 5 beruht.
Insbesondere den 3a bis 3h ist zu entnehmen, dass die Armierung 2 auch als dreidimensionales Gebilde in den Extrusionsprozess einlaufen kann. So sind beispielsweise L- (3c, 3e), T- (3h) und Doppel-T-Profile (3d) der Armierung 2 möglich, aber auch andere Geometrien, wie beispielsweise in den 3f und 3g gezeigt. Das Extrusionsprofil 1 kann als offenes (3f) oder alternativ auch als geschlossenes Hohlprofil (3e, 3g) ausgebildet sein.
Bei der Darstellung in 2, Variante a) sind die Verstärkungsfasern 5 allesamt in Extrusionsrichtung x angeordnet, während die Stabilisierungsfasern 8 allesamt quer zur Extrusionsrichtung x ausgerichtet sind. Gemäß Variante b) in 2 sind zusätzlich auch einzelne Verstärkungsfasern 5 quer zur Extrusionsrichtung x ausgerichtet, während in Variante c) einzelne Stabilisierungsfasern 8 quer zur Extrusionsrichtung x ausgerichtet sind. Alternativ ist es aber möglich, dass die Verstärkungsfasern 5 und/oder die Stabilisierungsfasern 8 weder längs noch quer zur Extrusionsrichtung x ausgerichtet sind und stattdessen beispielsweise unter einem Winkel α = 45° zur Extrusionsrichtung x verlaufen (s. Variante d)). Andere Winkelausrichtungen α sind hierdurch jedoch nicht ausgeschlossen. Im Ausführungsbeispiel besteht die Basis-Kunststoff-Matrix 7 aus Polypropylen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils, wobei mindestens eine Verstärkungsfasern enthaltende Armierung in eine Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert wird, wobei die Armierung neben den Verstärkungsfasern zusätzlich die Steifigkeit der Armierung erhöhende Stabilisierungsfasern aus einem sich von den Verstärkungsfasern unterscheidenden Material enthält, so dass hierdurch die Formstabilität der Armierung während der Einbringung derselben in die Basis-Kunststoff-Matrix erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung mindestens ein Gewebe, Geflecht, Gewirke oder, vorzugsweise unidirektionales, Roving umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Mineralfasern, insbesondere Glasfasern, und/oder Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern und/oder Basaltfasern enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsfasern Metallfasern und/oder Kunststofffasern enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung als dreidimensionales Gebilde in den Extrusionsprozess einläuft.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung als L-, T- oder Doppel-T-Profil ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern in Extrusionsrichtung angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsfasern quer zur Extrusionsrichtung ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Kunststoff-Matrix Polypropylen und/oder Polyvinylchlorid und/oder Polyethylen enthält.
Faserverstärktes Extrusionsprofil, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.