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Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von einem FVK-Hohlprofil insbesondere einem Rohr aus endlos faserverstärktem Thermoplast. Dieses Hohlprofil wird durch Flechtpultrusion gefertigt.
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Aus dem Stand der Technik sind Hybridhohlprofile bekannt, die durch verschiedene Verfahren und aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. So werden derzeit Hybridhohlprofile durch Flechtpultrusion mit duroplastischen Systemen erzeugt. Bei einem herkömmlichen Pultrusionsverfahren zur Herstellung solcher Kunststoffprofilteile wird ein Faserbündel mit einem wärmeaushärtbaren Harz imprägniert und durch eine beheizte Formgebungsdüse mit dem gewünschten Profil gezogen, wobei das Harz aushärtet. In Kunststoffprofilteilen, die auf diese Weise hergestellt sind, verlaufen die Fasern im Wesentlichen in Längsrichtung der Kunststoffprofilteile, so dass bei entsprechender Belastung auftretende Torsions- oder Schälspannungen einen Bruch des Harzes zwischen parallel verlaufenden Fasern verursachen können.
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Profile in Form von faserverstärkten Duroplasten wie Epoxid und Polyester mit Verstärkung aus Glas- oder Kohlefasern sind aufwändig (zeitaufwändig) und damit teuer herzustellen, außerdem sind sie nach der Herstellung nicht verformbar und nur für eine relativ eng begrenzte Anwendung nutzbar.
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In der
EP 0 402 309 A1 wird ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Profilstangen aus technischen Endlosfasern in einer thermoplastischen Matrix mit einem inneren unidirektionalen Kern und mindestens einem umhüllenden Mantelgeflecht beschrieben. Der unidirektionale Kern und die Mantelgeflechte werden aufgeheizt und dann zusammen in einer Pultrusionseinrichtung kontinuierlich gebildet, wobei sie unter optimiertem Druck und teilweiser Abkühlung kompakt konsolidiert und in die vorgegebene Profilform gepresst werden.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffprofilteils, das ebenfalls kein Hohlprofil ist, wird in der
DE 10 2008 010 228 A1 dargestellt. Das Verfahren umfasst das Zuführen und die Vorformung eines schlauchförmigen Fasergeflechts, welches mit einem flüssigen oder pulverförmigen Harzfilm benetzt wird. Das schlauchförmige Fasergeflecht wird geplättet und zur Bildung des Kunststoffprofilteils umgeformt. Um eine Faserbeschädigung bei der Herstellung zu vermeiden, wird das Profil nach dem Einbringen der Matrix abschnittsweise in einer heizbaren Presse angeordnet und unter Wärmezufuhr teilweise ausgehärtet. Das dazu verwendete Werkzeug ist zweiteilig und muss zur Weiterführung des Profils immer geöffnet werden.
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Zur Herstellung von hochfesten und hochsteifen Leichtbau-Hohlprofilen aus faserverstärktem Thermoplast ist ferner die Wickeltechnik (Filament Windig) bekannt. Derartige Hohlprofile werden typischerweise aus Kreuzwicklungen (etwa 45°) mit imprägnierten Fasern auf einem zylindrischen Wickelkern hergestellt.
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Die
DE 10 2007 051 517 A1 stellt die Herstellung einer Hohlwelle aus Faserverbundwerkstoff mit konkaven und konvexen Profilbereichen vor. Die Radien der so verrundeten Wellenkanten entsprechen 5 bis 10% der mittleren Wellenradien. Die Hohlwelle ist dabei durch ein mindestens zweischichtiges Fasergeflecht aus Kohlenstoff-, Aramid-, Glas-, und/oder Basaltfasern verstärkt. Das Matrixmaterial ist ein Kunststoff oder auch ein Metall oder eine Keramik.
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Die
DE 10 2007 051 517 A1 fokussiert die Ausbildung der Profilgestaltung, wobei zur Vermeidung von Faserschäden ein fließender Querschnittsübergang vom Wickeldorn zum Formkern im Pultrusionswerkzeug, der die Innenkontur der Hohlwelle vorgibt, vorgeschlagen wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flechtpultrusionsverfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines thermoplastischen Faserverbundkunststoff-Hohlprofils bereitzustellen, bei dem die Reibungskräfte auf die Fasern, die beim Einziehen des Fasergeflechts in eine Pultrusionsformdüse bzw. Einzugsmatrize auftreten, weiter verringert werden und bei dem die Imprägnierung des Fasergeflechts mit dem Thermoplasten und Konsolidierung des Thermoplasten verbessert wird. Dies soll auch für ein thermoplastisches FVK-Hohlprofil mit größeren Wandstärken sichergestellt werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Aufgabe der Schaffung einer entsprechenden Vorrichtung wird durch eine Pultrusionsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Weiterbildungen der Gegenstände sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform des Flechtpultrusionsverfahrens bezieht sich auf die kontinuierliche Herstellung eines thermoplastischen FVK-Hohlprofils in einer Pultrusionsanlage, wobei in einem ersten Schritt ein mehrlagiges Hohlprofilgeflecht aus Hybridrovings erzeugt wird. Die Hybridrovings, die Verstärkungsfasern aus Glas, Kohlenstoff, Carbon, Aramid, Keramik und/oder Metall und thermoplastisches Matrixmaterial umfassen, werden dazu von einer Flechteinrichtung der Pultrusionsanlage verflochten. Zusätzlich besteht die Möglichkeit auf bereits vorkonsolidierte Halbzeuge so genannte Tapes oder Fasertapes zurückzugreifen. Diese sind aus thermoplastischer Matrix mit eingebetteten Verstärkungsfasern gebildet. Die Verarbeitung der Fasertapes erfolgt analog zu den Hybridrovings.
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Das thermoplastische Matrixmaterial der Hybridrovings kann als Fasern, das heißt thermoplastische Fasern, vorliegen, die zusammen mit Verstärkungsfasern in den Rovings vorliegen, es kann sich aber auch um Rovings aus Hybridgarnen handeln, bei denen die Verstärkungsfasern mit einer thermoplastischen Matrixschlichte umhüllt sind. So enthält schon das Hohlprofilgeflecht zumindest einen Anteil des Matrixmaterials, und zwar gleichmäßig verteilt, der auch bei dickeren Wandstärken später eine vollständige und gleichmäßige Imprägnierung und Konsolidierung des Hohlprofilgeflechts zu dem thermoplastischen FVK-Hohlprofil sichert.
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Nachdem das, insbesondere rotationssymmetrische, mehrlagige Hohlprofilgeflecht erzeugt ist, wird es vor dem Einzug in das Konsolidierungswerkzeug der Pultrusionsanlage mittels mitlaufender Andrückführungsrollen, die unmittelbar vor einer Einzugsmatrize des Konsolidierungswerkzeugs angeordnet sind, komprimiert und damit der Querschnitt verkleinert, so dass es in der Einzugsmatrize weder zu einem Faserstau noch zu Faserschäden kommt.
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Die mitlaufenden Rollen komprimieren nicht nur das Faserhohlprofil, sondern ermöglichen auch ein exaktes Einführen in das Konsolidierungswerkzeug, was wiederum die Reibung reduziert. Zusätzlich besteht die Möglichkeit die mitlaufenden Rollen zu beheizen oder zu kühlen. Das Einziehen des komprimierten Hohlprofilgeflechts in das Konsolidierungswerkzeug erfolgt durch eine Abzugsvorrichtung, die dem Konsolidierungswerkzeug nachgeschaltet ist. In dem Konsolidierungswerkzeug der Pultrusionsanlage wird das Hohlprofilgeflecht mit dem geschmolzenen Matrixmaterial imprägniert und darauf folgend konsolidiert, wobei die jeweiligen Zonen des Konsolidierungswerkzeugs mit entsprechenden Temperiervorrichtungen ausgestattet sind: Eine erste Temperiervorrichtung heizt in einer Imprägnierzone auf eine Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixkunststoffes auf, so dass der Matrixanteil der Hybridrovings aufschmilzt und die umgebenden Verstärkungsfasern durchtränkt. Mittels weiterer Temperierungsvorrichtungen, die insbesondere für ein sukzessives Abkühlen des imprägnierten Hohlprofilgeflechts sorgen, kann das Hohlprofilgeflecht aufgrund der kurzen Fließwege schneller und besser abgekühlt werden.
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Eine weitere Minimierung der Reibungskräfte auf das Hohlprofilgeflecht während der Beförderung durch das Konsolidierungswerkzeug kann durch ein pulsierendes Bewegen der Abzugsvorrichtung sowie eines Flechtdorns, auf dem das Hohlprofilgeflecht erzeugt wird, und eines in Produktionsfließrichtung ersten Flechtrads erreicht werden. Dazu sind die Abzugsvorrichtung, der Flechtdorn und das Flechtrad jeweils mit einer Antriebsvorrichtung wie etwa einem Spindelantrieb verbunden. Die pulsierende Bewegung entsteht durch asynchrones Antreiben des Flechtdorns in Bezug zu der Abzugsvorrichtung und dem Flechtrad, wobei eine Phasenverschiebung zwischen dem Flechtdorn und der Abzugsvorrichtung und dem Flechtrad geregelt wird, so dass sich eine Klemmkraft und Reibung reduzierende Vor- und Zurückbewegung des Hohlprofilgeflechts einstellt.
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Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen zur optimalen Konsolidierung des thermoplastischen FVK-Hohlprofils können Vibrationen in einen Werkzeugkern und das Flechtmaterial eingeleitet werden, was durch die Erzeugung von Vibrationen im Konsolidierungswerkzeug beispielsweise mittels eines Ultraschallgebers realisiert wird. Dies wäre auch bei den Andruckrollen möglich.
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Schließlich kann die Reibung im Werkzeug durch Verwendung eines teilweise konischen Werkzeugs zum Ausgleich des Schrumpfes minimiert werden. Dadurch kann das Hohlprofilgeflecht in einem in Produktionsfließrichtung ersten, sich konisch verjüngenden Abschnitt des Konsolidierungswerkzeugs reibungsarm geführt werden, so dass das Hohlprofilgeflecht in diesem Abschnitt mehr Raum hat und dadurch kein reibungstreibender Faseraufstau entsteht. Der zweite und letzte Abschnitt des Konsolidierungswerkzeugs führt das Hohlprofilgeflecht maßhaltig unter Druck, um das gewünschte thermoplastische FVK-Hohlprofil zu erhalten.
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Beim sukzessiven Flechten der Lagen mittels der seriell angeordneten Flechträder können von jedem Flechtrad unabhängig voneinander Flecht- bzw. Verstärkungswinkel erzeugt werden, die in einem Bereich von etwa ±5° bis etwa ±80° liegen. Falls gewünscht, insbesondere zur Verstärkung des FVK-Hohlprofils bei zu erwartender Biegebelastung, können Hybridrovings in einem 0° Winkel als Stehfäden integriert werden, die gestreckt in das Geflecht einlaufen und quasi keine Ondulation aufweisen.
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Ferner kann das Verfahren das Abziehen des Hohlprofilgeflechts von dem Flechtdorn beim Einziehen in das Konsolidierungswerkzeug umfassen.
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Je nach der Höhe des Matrixanteils in den Hybridrovings und abhängig von einem gewünschten Fasergehalt im FVK-Hohlprofil kann zur Imprägnierung des Hohlprofilgeflechts das Zuführen von zusätzlichem thermoplastischem Matrixmaterial vorgesehen sein, das dann beispielsweise mittels eines Extruders in die Imprägnierzone des Konsolidierungswerkzeugs eingeleitet wird, in der die erste Temperiervorrichtung eine Temperatur entsprechend der Schmelztemperatur des thermoplastischem Matrixmaterial bereitstellt, um den thermoplastischen Matrixanteil der Hybridrovings zu schmelzen.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Flechtpultrusionsanlage, die zur Herstellung eines thermoplastischen FVK-Hohlprofils geeignet ist, umfasst eine Flechteinrichtung aus zumindest zwei seriell angeordneten Flechträdern und ein Konsolidierungswerkzeug mit einer Einzugsmatrize und Temperiervorrichtungen zum Imprägnieren und Konsolidieren des mittels der Flechteinrichtung erzeugten Hohlprofilgeflechts. Um die Reibungskräfte auf das Fasergeflecht beim Einzug in das Konsolidierungwerkzeug zu verringern und damit Faserschäden zu vermeiden, weist die Flechtpultrusionsanlage mitlaufende Andruckführungsrollen auf, die unmittelbar vor der Einzugsmatrize angeordnet sind, und die das Hohlprofilgeflecht sanft komprimieren, so dass das komprimierte Hohlprofilgeflecht reibungsarm in die Einzugsmatrize eintritt.
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Die Abzugsvorrichtung, die den axialen Vorschub des Hohlprofilgeflechts bereitstellt und die beispielsweise als Doppelbandabzug ausgeführt sein kann, der Flechtdorn, auf den das Hohlprofilgeflecht aufgeflochten wird, und ein in Produktionsfließrichtung erstes Flechtrad, das eine innerste Flechtlage herstellt, können jeweils mit einer Antriebsvorrichtung wie einem Spindelantrieb verbunden sein, um Hin- und Herbewegungen ausführen zu können. Die Antriebsvorrichtungen sind mittels einer Regelungsvorrichtung gekoppelt sind, um den Flechtdorn gegenüber der Abzugsvorrichtung und dem Flechtrad asynchron anzutreiben, was zu einer Reduktion der Klemmkräfte und damit zu einer Minimierung der Reibung bei der Beförderung des Hohlprofilgeflechts bzw. des kontinuierlich daraus entstehenden FVK-Hohlprofils führt.
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Eine Vorrichtung zur Vibrationserzeugung kann als Teil des Konsolidierungswerkzeugs vorgesehen sein, um das Geflecht während der Passage durch das Konsolidierungswerkzeug, d. h. während des Imprägnierens und Konsolidierens in Vibration zu versetzen, um Lufteinschlüsse zu vermeiden. Als Vibrationsvorrichtung kann etwa ein Ultraschallgeber auf dem Konsolidierungswerkzeug in Frage kommen.
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Die Passage durch das Konsolidierungswerkzeug wird durch einen Hohlprofilgeflechtführungskanal bereitgestellt, der in einer Ausführungsform der Pultrusionsanlage in Produktionsfließrichtung einen ersten, sich konisch verjüngenden Abschnitt und einen letzten maßhaltigen, einen Fertigungsdruck auf das Hohlprofilgeflecht bereitstellenden Abschnitt aufweisen kann.
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Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. in der erfindungsgemäßen Anlage hergestelltes thermoplastisches FVK-Hohlprofil weist aufgrund der verringerten Reibung beim Einzug in das Werkzeug weniger bzw. keine Faserschäden auf, die Fertigungszeiten sind durch die kontinuierliche Herstellung verringert. Die so hergestellten thermoplastischen FVK-Hohlprofile können zudem nachgeformt werden.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenschnittansicht einer erfindungsgemäßen Flechtpultrusionsanlage,
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2 zwei Querschnittansichten durch verschieden Hybridrovings,
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3 eine Querschnittansichten durch ein weiteres Hybridroving,
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4 eine Querschnittansichten durch ein weiteres Hybridroving,
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5 eine schematische Seitenschnittansicht der Flechteinrichtung der Pultrusionsanlage aus 1,
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6 eine schematische Skizze von Geflechten mit verschiedenen Flechtwinkeln,
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7 eine schematische Seitenschnittansicht des Konsolidierungswerkzeugs der Pultrusionsanlage aus 1, ohne Extruder,
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8 eine schematische Seitenschnittdetailansicht der vor der Einzugsmatrize des Konsolidierungswerkzeugs angeordneten Andrückführungsrollen,
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9 ein Diagramm der Frequenzen bei der pulsierenden Bewegung,
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10 eine schematische Seitenschnittansicht eines Konsolidierungswerkzeugs mit konisch verjüngtem ersten Abschnitt,
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11 eine schematisch dargestellte Prozesskette aus dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines FVK-Hohlprofils insbesondere einem Rohr aus endlos faserverstärktem Thermoplast. Dieses Hohlprofil wird durch Flechtpultrusion gefertigt. Als Flechtmaterial wird ein Hybridroving oder auch ein Towpreg aus einer Verstärkungsfaser (z. B. Carbonfaser) und einer thermoplastischen Matrix (z. B. PPA) verwendet. Die Probleme der Imprägnierung und Konsolidierung bei den Thermoplasten aufgrund ihrer Zähflüssigkeit und die auch bei größeren Wandstärken extrem hohen Reibungskräfte werden durch das Verfahren gelöst. Große Wandstärken bei zähflüssigen Thermoplasten sind aufgrund der hohen auf die „trockenen” Rovings wirkenden Reibkräfte problematisch. Erfindungsgemäß werden diese Reibkräfte und damit das Risiko der Faserbeschädigung beim Pultrusionsprozess reduziert. Ferner werden der Faseraufstau bei der Pultrusion sowie die Verschiebung des Geflechtes verringert. Zudem wird die Faserimprägnierung durch kurze Fließwege der Matrix zur Verstärkungsfaser durch Verwendung von fein verteilten Hybridrovings und durch eine spezielle Druck- und Temperaturführung der Schmelze ermöglicht.
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Durch Flechtpultrusion wird ein faserverstärktes thermoplastisches Hohlprofil hergestellt. Eine vor dem Konsolidierungswerkzeug 5 der Pultrusionsanlage 20 positionierte Flechteinrichtung erzeugt ein Geflecht 10, welches nach dem Flechten direkt in das Konsolidierungswerkzeug 5 läuft und hier zu dem Hohlprofil 11 konsolidiert wird (1). Der ganze Prozess vom Flechten bis zum endfertigen Hohlprofil 11 ist durchgehend kontinuierlich, dabei läuft das Geflecht 10 nach dem Flechtvorgang direkt ohne Zwischenschritt in das Konsolidierungswerkzeug 5 der Pultrusionsanlage 20. An diese Pultrusion kann auch noch ein Umformvorgang angeschlossen werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Flechtpultrusionsverfahren zur Herstellung eines thermoplastischen FVK-Hohlprofils 11 in einer Pultrusionsanlage 20, wie in 1 zu sehen, wird zunächst das mehrlagige Hohlprofilgeflecht 10 aus den Hybridrovings 1 gefertigt, die Verstärkungsfasern 2 und thermoplastisches Matrixmaterial 3 umfassen. Bevorzugt weren durch das Flechten rotationssymmetrische Hohlprofile gebildet.
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Für die Herstellung des Geflechts 10 wird ein sehr fein verteilter homogener Hybridroving (siehe 2 und 3) verwendet. Dieser besteht aus einer Verstärkungsfaser 2 aus Glas, Kohlenstoff, Carbon, Aramid, Keramik und/oder Metall und einer thermoplastischen Faser 3, etwa PPA. Der Vorteil der Hybridrovings ist das bereits im Preform enthaltene Matrixmaterial, so dass sich durch die sehr feine, homogene Verteilung der Verstärkungs- und Matrixfasern 2, 3 das Matrixmaterial bereits vor der Konsolidierung im Pultrusionsprozess im Geflecht 10 befindet. Dies ermöglicht eine schnellere und bessere Konsolidierung aufgrund kurzer Fließwege des späteren Hohlprofils 11. Außerdem sind die Fasern 2, 3 achsparallel und performance steigernd ohne Verdrillung/Knoten angeordnet. Eine zweite Variante ist die Verwendung von so genannten Towpregs oder Kerntiefen imprägnierten Rovings, von denen ein Querschnitt in 4 zu sehen ist und bei denen es sich um matrixummantelte Rovings aus einer Verstärkungsfaser 2 und einem thermoplastischen Matrixmaterial 3 handelt.
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Die Grundlage für die Pultrusion bildet das Geflecht 10 welches in der Pultrusionsanlage 20 konsolidiert wird. Das mehrlagige Geflecht 10 wir durch mehrere hintereinander geschaltete Flechträder 21 (siehe 1 und 5) erzeugt. So können mehrere Schichten übereinander geflochten werden, was die Fertigung von Profilen 11 mit großen Wandstärken ermöglicht. Beim Flechten sind Verstärkungswinkel (6) von etwa ±5° bis ±80° möglich, für eine Verstärkung in 0°-Richtung, die insbesondere bei Biegebelastung von Vorteil ist, können am Flechtrad 21 zusätzliche Stehfaden zugeführt werden. Diese laufen gestreckt in das Geflecht 10 ein und weisen dadurch quasi keine Ondulation auf. Man spricht vom so genannten UD-Flechten.
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Anschließend an das Flechten wird das Geflecht 10 vom Flechtdorn 4 abgezogen und in das Konsolidierungswerkzeug 5 der Pultrusionsanlage 20 (1 und 7) eingezogen und dort über eine Matrize 6 durch das Konsolidierungswerkzeug 5 gezogen. Für das Durchziehen ist eine Abzugsvorrichtung 7 dem Konsolidierungswerkzeug 5 nachgeschaltet. Bei Hohlprofilen mit großen Wandstärken und trockenen Verstärkungsfasern entstehen beim Einzug durch die Matrize 6 hohe Reibkräfte, wodurch es zum Faseraufstau am Anfang des Konsolidierungswerkzeugs 5 der Pultrusionsanlage kommen kann, was das Geflecht 10 bzw. die Fasern 1 schädigt. Dies zu verhindern bzw. zu unterdrücken oder zu reduzieren wird wie folgt gelöst.
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Das Hohlprofilgeflecht 10 wird mittels mitlaufender Andrückführungsrollen 9, zu sehen in 1, 5 und 8, platt gedrückt, die unmittelbar vor einer Einzugsmatrize 6 des Konsolidierungswerkzeugs 5 angeordnet sind. Diese mitlaufenden, andrückenden Rollen 9 verpressen bzw. komprimieren den Faseraufbau. So werden vor dem Einzug in das Konsolidierungswerkzeug 5 die mitlaufenden Rollen 9 eingesetzt, die das Faser-Profil 10 schon vor dem Eintritt ins Werkzeug 5 führen und komprimieren und somit ein genaues Einführen in das Werkzeug 5 ermöglichen, was wiederum die Reibung reduziert. Bei der Kompression des Hohlprofilgeflechts 10 kann es sich um eine Verringerung der Wandstärke handeln.
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Das durch die Abzugsvorrichtung 7 der Pultrusionsanlage 20 in das Konsolidierungswerkzeug 5 eingezogene, nun komprimierten Hohlprofilgeflecht 10 wird beim Durchlaufen der verschiedenen Temperaturzonen imprägniert und konsolidiert. Die werden durch verschiedene Temperiervorrichtungen 8, 8a, 8b, 8c des Konsolidierungswerkzeugs 5 beheizt oder auch gekühlt.
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Um die Reibung in der Pultrusionsanlage 20 und insbesondere im Konsolidierungswerkzeug 5 zu verkleinern, wird das FVK-Hohlprofil 11 mittels „Synchroziehen” durch das Werkzeug befördert. Darunter wird verstanden, dass die Abzugsvorrichtung 7 und die Fäden vor einer Synchronisiereinheit der ersten Faserlage/Stehfaden eine pulsierende Bewegung (push/pull) ausführen (beispielsweise mittels schnell reagierender Spindelantriebe 22). Die Frequenzen bzw. die Phasenverschiebung der beiden Bewegungen (9) werden so überlagert geregelt, dass sich trotz der Elastizität der Faser eine Vor- und Zurück-Bewegung einstellt. Die Klemmkräfte (Stick-Slip-Kräfte) werden reduziert. Dadurch wird die Reibung bei der Beförderung des FVK-Profils 11 minimiert.
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Dazu ist, siehe 1, ein Spindelantrieb 22 mit dem Flechtdorn 4 zur asynchronen Anregung desselben relativ zur Bewegung der Abzugsvorrichtung 7/des ersten Flechtrads 21 gekoppelt. Die Abzugsvorrichtung 7 und das erste Flechtrad 21 hingegen sind ebenfalls mit einem Spindelantrieb 22 gekoppelt, wobei der Spindelantrieb 22 des ersten Flechtrads 21 über das Flechtrad 21 die untersten bzw. innersten Faserlagen des Hohlprofilgeflechts 10 synchron zu der Abzugsvorrichtung 7 anregt.
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Durch einen auf dem Konsolidierungswerkzeug 5 angeordneten Ultraschallgeber 23, siehe 1, können Vibrationen in einen Werkzeugkern und das Flechtmaterial eingeleitet werden, wobei durch die Vibration der Einspannung und ggf. des Kerns Lufteinschlüsse vermieden werden können, was letztendlich zu einer optimalen Konsolidierung führt. Alternative Vibrationserreger zu dem Ultraschallgeber 23 sind ebenfalls denkbar.
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Eine weitere Variante zur Minimierung der Reibung im Werkzeug 5 ist ein Hohlprofilgeflecht-Führungskanal, der einen konischen Abschnitt 5a zum Ausgleich des Schrumpfes aufweist, wie in 10 zu sehen. Dabei ist der erste Teil des Führungskanals im Werkzeug 5 konisch aufgebaut. Dadurch hat das Profil 10 im ersten Abschnitt 5a des Werkzeuges 5 mehr Raum und es entsteht dort kein Faseraufstau was gleichbedeutend mit weniger Reibung ist. Der zweite Abschnitt 5b des Werkzeuges 5 ist zylindrisch ausgeführt, damit das Profil 11 maßhaltig unter Druck gefertigt werden kann.
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Bei der Konsolidierung und der Faserimprägnierung wird die Matrix 3 homogen unter Vermeidung von Lunkern bzw. Lufteinschlüssen verteilt. Dies wird durch drei Prozessparamter Wärme, Druck und Zeit beeinflusst. Hohe Temperaturen erhöhen die Fließfähigkeit, die auch in der Mitte der Wandstärke erforderlich ist. Durch Druck wird die Schmelze zu zwischen die Fasern gedrückt, was teilweise auch über Kapillarwirkung erfolgt. Es wird auch unter Druck abgekühlt, wodurch die Oberfläche geglättet und die Maßhaltigkeit gewährleistet wird. Durch den kurzen Fließweg mit feinverteilten Hybridrovings 1 erfordert das Konsolidieren einen geringen Zeitaufwand.
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Um das Geflecht 10 zu konsolidieren, muss zunächst eine gewisse Temperatur erreicht werden, anschließend muss eine Kühlung erfolgen. Diese wird zum einen durch das mittels der Temperiervorrichtungen 8, 8a, 8b, 8c temperierte Konsolidierungswerkzeug 5 bereitgestellt. Um die Zeit zur Konsolidierung möglichst gering zu halten, kann die Temperierung auch innenseitig durchgeführt werden. Die Temperierung erfolgt hier über einen Kern bzw. Dorn, der je nach Bedarf kühlen kann. Der Dorn ist im Inneren mit einer Leitung versehen die ein Kühlmedium, beispielsweise Stickstoff, an die gewünschten Stellen bringt und dort dann für den entsprechenden Effekt sorgt. Lokal kann ein Kühlen auch über die Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitwerten erfolgen.
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Die einzelnen beschriebenen Prozessschritte können je nach Bauteil und Randbedingen kombiniert werden. So kann z. B. ein Profil mit großer Wandstärke in mehren Flechtprozessen mit zwischengeschalteten Pultrusionsprozessen, siehe 11, gefertigt werden.
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Es wird also erst ein dünnes Geflecht erzeugt, dieses wird pultrudiert und anschließend wieder überflochten; dann wird das Procedere wiederholt. So können sehr große Wandstärken erreicht werden. Zusätzlich kann nach dem ersten Pultrusionsprozess auf einen Kern verzichtet werden da das Profil schon formstabil ist.
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Damit ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, dass das Nachformen des thermoplastischen FVK-Hohlprofil möglich ist. Weiter wird bei reduzierten Fertigungszeiten eine höhere Effizienz der Großserienfertigung geleistet, und die Herstellkosten für die erfindungsgemäßen Profile sind geringer als die für Aluminium-Hohlprofile. Dennoch sind die so geschaffenen FVK-Hohlprofile torsions- und biegesteife geschlossenes Hohlprofile bei gleichzeitigem Materialeinsatz von Materialien mit höchster Leichtbaugüte. Der Herstellungsprozess ist faserschonend und insofern qualitätsfördernd.
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Der Herstellungsprozess gerader und gebogener Hohlprofile ist sicher und robust und dennoch variabel und flexibel bei geringen Werkzeugkosten für unterschiedliche Rohrabmessungen; er erklaubt sogar die Fertigteilproduktion in einem Prozessschritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0402309 A1 [0004]
- DE 102008010228 A1 [0005]
- DE 102007051517 A1 [0007, 0008]
