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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung ausgeschäumter Extrusionsprofile aus Kunststoff, welche insbesondere im Fenster- und Türbau verwendet werden können, sowie ein Extrusionsprofil, hergestellt mittels der Vorrichtung.
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Es ist allgemein üblich und bekannt, Fensterrahmen, Fensterflügel, Türrahmen und Türen aus Kunststoff-Hohlkammerprofilen zu fertigen, die mittels Extrusion hergestellt werden. Aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften und der hohen UV-Beständigkeit wird, wie in der Schrift
WO 2011/054536 A1 beschrieben, als thermoplastischer Extrusionswerkstoff überwiegend PVC-hart verwendet.
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Aus der Schrift
DE 89 08 136 U1 ist weiter bekannt, dass mittels Coextrusion über einen zweiten Extruder flexible, elastomere Dichtungslippen an Hohlkammerprofile aus PVC anextrudiert oder dekorative und höher UV-beständige Deckleisten inline angearbeitet werden können.
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Zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit für größere oder filigranere Rahmenkonstruktionen wird in der Schrift
EP 0 893 567 B1 vorgeschlagen, metallische Verstärkungen in die Hohlkammerprofile einzuarbeiten.
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Für Rahmenkonstruktionen von vollständig aus Kunststoff bestehenden Hohlkammerprofilen mit hohen Anforderungen sowohl an die mechanische Belastbarkeit, besonders bei großen Rahmenabmessungen, als auch an die thermischen Isolationseigenschaften im Sinne der Energieeinsparung an Gebäuden, sind nach wie vor große Profilquerschnitte mit großen, architektonisch nachteiligen Sichtflächen erforderlich.
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Für schmalere sichtbare Querschnitte und für architektonisch ansprechendere Gestaltungsmöglichkeiten der im Verhältnis zu Holz- oder Aluminiumrahmen relativ breiten PVC-Hohlkammerprofile wurden beispielsweise in den Schriften
DE 36 10 980 A1 oder
DE 295 10 313 U1 verschiedene konstruktive Lösungen vorgeschlagen, die sich auf die Anordnung der funktionellen Fensterbauteile aus Stahl in speziellen Profilgeometrien beziehen.
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Zur weiteren Verbesserung der Dämmung der ohnehin gut thermisch isolierenden PVC-Verbundfenster werden die Profile mit immer kleineren Kammerunterteilungen hergestellt oder mit zusätzlichen, die thermische Isolierung verbessernden Abdeckungen wie in der Schrift
DE 10 2005 043 847 A1 versehen. Allen Hohlkammerprofilen ist jedoch eigen, dass durch Konvektion in den Hohlkammern ungehindert Luft zirkuliert und damit Temperaturunterschiede von einer Kammerwand zur nächsten übertragen werden. Zur Unterbindung der Konvektion werden für hohe Dämmansprüche in einzelne größere Kammern vorgefertigte Schaumprofile, z. B. aus PUR-Schaum, eingeschoben. Dies ist mit hohem Arbeits- und Kostenaufwand verbunden, macht aber die Problemstellung für die weitere Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von Fensterprofilen deutlich.
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Ein Lösungsansatz wird in der Schrift
EP 1 728 613 A1 aufgezeigt, in der beispielsweise ein geometrisch einfach gestaltetes PVC-Paneelprofil durch Coextrusion mit einem Kern aus PUR-Schaum gefüllt wird. Der Schaum geringer Dichte wird durch Verwendung eines physikalischen Treibmittels unter Druck erzeugt und expandiert beim Verlassen des Extrusionswerkzeugs. Durch den direkt an der Profilwand anliegenden und das Profil vollständig ausfüllenden Schaumkern wird nicht nur Konvektion verhindert, sondern auch die mechanische Stabilität des Profils erhöht. PUR-Schaum ist jedoch immer zumindest anteilig offenzellig. Neben den Problemen beim Schweißen und Fügen der Profile durch die PUR-Schaumfüllung kann durch Montagefehler, etwa durch die Verletzung der PVC-Deckschicht bei der Anbringung von Beschlägen und Scharnieren, während der langen Funktionszeit des Fensters Wasser in die Profilrahmen eindringen und sich durch Kapillarwirkung über den gesamten Rahmen verteilen. Die verbesserte Wärmedämmung durch die PUR-Schaumfüllung wäre dann in das Gegenteil verkehrt.
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Ein großer Nachteil von Schaumfüllungen, die aus einem anderen Werkstoff als dem bei Fensterprofilen üblichen PVC-hart hergestellt sind, ist die fast unmögliche Recyclingfähigkeit der Verschnitte bei der Weiterverarbeitung der Profile zu Rahmen und auch beim Recycling der kompletten Rahmenkonstruktionen nach Ende der Nutzungsdauer der Fenster.
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Eine Beschränkung beim Schäumen von PVC-hart ergibt sich daraus, dass durch die erforderlichen hohen Drücke im Extrusionswerkzeug physikalisch begründet nur Querschnitte von maximal 25 mm Dicke der Schaumschicht herstellbar sind. Die Überwindung dieser Beschränkung ist vom Grundsatz her bereits in der Schrift
DD 261 271 A3 beschrieben. Bei den Profilen, die mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung hergestellt werden sollen, handelt es sich jedoch um einfache, runde Querschnitte des Schaumkerns.
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Bei der Herstellung von Profilen, auch mit Schaumkern, in Profilgeometrien, die von einem kreisrunden Querschnitt abweichend sind, entsteht immer das Problem des differenzierten Abkühlverhaltens über den Querschnitt. Daraus ergeben sich beim Abkühlen je nach örtlich vorliegendem Materialzustand und vorhandener Materialmenge über den Querschnitt verteilt unterschiedlich starke Volumenkontraktionen, die zu einem irreversiblen Verzug der Profilstränge während der gesamten Abkühlphase nach der Extrusion führen.
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In der
WO 2009/062986 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von versteiften Kunststoffprofilen mit verbesserter thermischer Isolation für den Fensterbau offenbart. Nachteilig erweist sich die Verwendung unterschiedlicher Materialien. Ferner bedingt dadurch, dass die Schäumung des Materials durch Nutzung der von der Extrusion des Kunststoffprofils vorhandene Wärme erfolgen soll, ist der schäumbare Hohlraumquerschnitt beschränkt.
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In der
DE 100 51 257 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils für Fenster, Türen oder dergleichen beschrieben. Das Aluminium- oder Kunststoffhohlprofil weist dabei mit Polysacharid-Schaum ausgefüllte Kammern auf, die zur Entweichung des Treibmittels geöffnet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der eine thermische Isolation von Kunststoffrahmen aus Hohlkammerprofilen durch eine komplette Unterbindung der Konvektion über den Profilquerschnitt, unter Beibehaltung der Querschnittstiefe erreichbar ist. Gleichzeitig soll die mechanische Belastbarkeit der Profile gesteigert werden, sodass auch mit schmaleren Querschnitten die Belastungen, die durch funktionale Bauteile wie Scharniere, Öffnungs- und Kippvorrichtungen und durch Wind auf die Rahmen einwirken, dauerhaft in die Profile ein- und weiter über die Rahmenstrukturen in die Gebäudekonstruktion abgeleitet werden können.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Herstellung ausgeschäumter Extrusionsprofile aus Kunststoff sowie ein Extrusionsprofil, hergestellt mittels der Vorrichtung, gelöst. Die Vorrichtung besteht aus einem Coextrusionswerkzeug mit zwei Kanälen, wobei im äußeren Kanal ein aus kompakten Kunststoff bestehendes Profil und gleichzeitig im inneren Kanal ein den Hohlraum des Profils komplett ausfüllender Schaumkern, der aus dem gleichen Material wie das Profil besteht, extrudiert wird. Um die verzugsfreie Herstellung des Profilstrangs zu erreichen, werden durch gezieltes Vergrößern von Abschnitten der Extrusionsöffnungen des Profils unterschiedliche Materialvolumen an ausgewählten Abschnitten der Profilwand extrudiert. Für die Herstellung eines den Profilstrang komplett ausfüllenden Schaumkerns wird der Hohlraum der Schaumextrusionsdüse über mehrere Teilströme mit runden Querschnitten von 5 mm bis 15 mm Durchmesser befüllt. Diese werden geometrisch so aufgeteilt, dass bei der Ausschäumung über den gesamten Querschnitt des Hohlraums Schaumdichten von 0,4 g/cm3 bis 1,2 g/cm3 erreicht werden können.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass komplex geformte Extrusionsprofile hergestellt werden können, deren Schaumkerne im Querschnitt Ausdehnungen von mehr als 25 mm aufweisen.
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Die Teilströme sollten dabei eine summarische Querschnittsfläche zwischen 30% und 80% des Gesamtquerschnitts des Schaumkerns aufweisen, wobei eine Querschnittsfläche von 40% bis 70% besonders vorteilhaft ist.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 ein Querschnitt eines Profilstrangs zur Herstellung eines Fensterflügels ohne die übliche Unterteilung in mehrere Hohlkammern,
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2 ein Querschnitt des Profilstrangs direkt am Ausgang des Coextrusionswerkzeugs für den Schaumkern, mit einem Beispiel der Aufteilung des treibgashaltigen Schmelzestroms in mehrere Teilströme mit runden Querschnitten und deren geometrischer Verteilung über den Hohlraumquerschnitt des Profils,
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3 ein Querschnitt durch den vollständig mit Schaum ausgefüllten Profilstrang nach dem Expandieren des Schaums,
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4 eine beispielhafte Darstellung des Verzuges nach dem Auskühlen eines Profilstrangs, an dem der Materialverzug nicht kompensiert wurde und
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5 eine beispielhafte Darstellung eines Profilstrangs nach dem Auskühlen bei dem der Materialverzug durch Verstärkung eines bestimmten Abschnitts der Profilwand kompensiert wurde.
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Zur Herstellung eines ausgeschäumten Profilstrangs weist die Vorrichtung ein Coextrusionswerkzeug mit einem, eine geschlossene Kontur aufweisenden, äußeren und einem inneren Extrusionskanal auf. Der äußere Kanal ist den inneren Kanal umgebend angeordnet. Der äußere Kanal ist für die Extrusion einer kompakten Kunststoffschmelze zu einem Hohlprofil und der innere Kanal für die zeitgleiche Extrusion einer, mit einem Treibmittel vermischten Kunststoffschmelze vorgesehen.
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Zur Herstellung eines Profils 1 zur Fensterflügelfertigung kann der äußere Kanal des Coextrusionswerkzeugs eine Form aufweisen, mit dem das in 1 dargestellte Profil 1 mit großem Hohlraum 2 extrudierbar ist. Der innere Kanal weist, wie in 2 dargestellt, mehrere kreisrunde Extrusionsöffnungen auf, durch die ein PVC-Schaum in Form von Teilströmen 3 in den Hohlraum 2 von Profil 1 extrudierbar ist. Nach der Expansion des Schaums weist das Profil 1 einen, in 3 dargestellten, geschlossenen und mit der Profilwand verschmolzenen Schaumkern 4 auf.
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Aufgrund des in 4 dargestellten Verzugs beim Abkühlen des komplex geformten Profilstrangs sind im Extrusionswerkzeug für die kompakte Deckschicht 5 unterschiedlich große Öffnungsquerschnitte in bestimmten Bereichen des Profils 1 vorgesehen. Dadurch weist das coextrudierte Profil 1, wie in 5 dargestellt, in bestimmten Abschnitten seines Umfangs einen größeren Materialquerschnitt der Deckschicht 5 auf. Von dieser abschnittsweise dickeren Deckschicht 5 können die bei der Abkühlung entstehenden und den Verzug verursachenden Zugkräfte auf der langsamer abkühlenden Seite der Profilquerschnitte aufgenommen und der Verzug der Profile 1 kompensiert werden.
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Die Vorrichtung zur Herstellung eines ausgeschäumten Profilstrangs aus Kunststoff, vorteilhaft aus PVC-hart, besteht im Wesentlichen aus einem Coextrusuionswerkzeug mit dem ein kompaktes Profil 1 und gleichzeitig ein den Hohlraum 2 des Profils 1 komplett ausfüllender Schaumkern 4 extrudiert wird. Dabei können die bei Mehrkammerhohlprofilen üblichen Extrusionsgeschwindigkeiten erreicht werden. Gegenüber herkömmlichen Mehrkammerhohlprofilen kann jedoch auf die nachträgliche und aufwendige Isolation mit Dämmstoffen verzichtet werden, die zur Unterbindung der Konvektion und damit zum Erzielen einer hohen thermischen Dämmwirkung notwendig ist. Außerdem kann durch das Ausschäumen im gleichen Querschnitt mehr tragender Werkstoff untergebracht werden als in konventionell hergestellten Mehrkammerhohlprofilen, ohne dass die Wärmeleitfähigkeit dadurch steigt.
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In einer vorteilhaften Variante wird für den Schaumkern 4 das gleiche Material wie für das Profil 1 verwendet. Dabei kann der Schaumkern 4 mit der Innenwand des Profils 1 verschmelzen. Das gestattet es, Profile 1 mit einer besonders hohen mechanischen Stabilität herzustellen. Dadurch ist es möglich, ganz oder teilweise auf aufwendige Maßnahmen zur Erhöhung der Stabilität, wie beispielsweise dem Einbau metallischer Stützkonstruktionen auszukommen und trotzdem Fenster- oder Türrahmen herzustellen, die Belastungen durch funktionale Bauteile wie Scharniere, Öffnungs- und Kippvorrichtungen und Belastungen durch Windkräfte aufnehmen und in Rahmen- oder Gebäudestruktur ableiten können.
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Ein weiterer Vorteil der ausschließlichen Verwendung von PVC-hart zur Herstellung der kompletten Profile 1 ist das vollständige Recycling von Verschnitten der Profile bzw. kompletter Rahmenkonstruktionen nach Ende ihrer Nutzungsdauer.
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Für die Herstellung eines ausgeschäumten und komplex geformten Profilstrangs insbesondere mit Hohlräumen 2 von großer Querschnittsfläche, bei dem die üblichen Schaumschichtdicken von 25 mm überschritten werden, können Schäume nicht, wie z. B. bei der Herstellung von flachen Paneelen, auf herkömmliche Weise extrudiert werden. Um die PVC-hart-Schmelze für die Ausschäumung großer Hohlräume von Vollschaum-Fensterprofilen zu konditionieren, wird die treibmittelhaltige Schmelze im Extrusionswerkzeug in mehrere Teilströme 3 aufgeteilt. Dadurch kann der Druck innerhalb des Extrusionswerkzeugs bis zur Entspannung nach dem Austritt aus den Extrusionskanälen aufrecht erhalten werden. Nach der vollständigen Expansion entsteht ein den Hohlraum 2 komplett ausfüllender homogener Schaumkern 4. Es wird vorgeschlagen, zum Ausschäumen von typischen Fensterflügel- und Fensterrahmenprofilen das jeweilige Profil 1 mit Teilströmen 3 von 5 mm bis 15 mm Einzeldurchmesser zu befüllen. Diese werden vorteilhaft geometrisch derart aufgeteilt, dass bei der Ausschäumung des gesamten Hohlraums 2 Schaumdichten 4 von 0,4 g/cm3 bis 1,2 g/cm3 erreicht werden. Die summarische Querschnittsfläche der Teilströme 3 sollte dabei zwischen 30% und 80% des Hohlraumquerschnitts betragen. In einer besonders vorteilhaften Ausführung beträgt die summarische Querschnittsfläche der Teilströme 3 40% bis 70% des Hohlraumquerschnitts.
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Im Fall einer geometrisch bedingten Notwendigkeit, anstatt eines einheitlichen Durchmessers unterschiedliche Durchmesser der Teilströme 3 zu verwenden, können in den Einzelkanälen des Werkzeugs unterschiedliche Fließweglängen eingerichtet werden, um bei ausreichendem Schmelzedruck eine gleichmäßige Fließgeschwindigkeit in allen Kanälen zu erreichen.
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Das zeitgleich coextrudierte kompakte Profil 1 weist entsprechend den an einem Fensterprofil auftretenden Belastungen und den Erfordernissen der später anzubringenden Konstruktionselemente in bestimmten Bereichen der Profilwand unterschiedliche Wanddicken auf. Die aufgrund der komplexen Form des Profils 1 unterschiedlich verteilten Massenanhäufungen in der kompakten Profilwand mit höherer Wärmeleitfähigkeit und der fest verschmolzene Schaumkern 4 mit geringer Wärmeleitfähigkeit führen zu einem stark differenzierten Abkühlungsverhalten des Profilstrangs. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Schaumkerns 4 verzögert noch zusätzlich die Abkühlung und damit die geometrische Fixierung des Profilstrangs. Während des länger andauernden Auskühlungsprozesses führen unterschiedlich starke Volumenkontraktionen zum Verzug des Profilstrangs. Die Stärke und Richtung des Verzuges folgt dabei der zeitlichen Abfolge des Kühlverlaufs über den Profilquerschnitt. Die Längsschrumpfung erfolgt zuerst in dem Bereich des Profilquerschnitts, der zuerst abgekühlt ist. Im Beispiel in 4 ist das die mit B gekennzeichnete Unterseite des Profilstrangs. Dies wird in der Regel die Seite sein, die entweder die geometriebedingt größere Oberfläche oder den größeren Anteil der kompakten Profilwand mit höherer Wärmeleitfähigkeit aufweist. In diesem Bereich treten im Vergleich zu Bereichen mit geringerem Anteil der kompakten Profilwand, im Beispiel die mit A gekennzeichnete Oberseite des Profilstrangs, die größeren Zugkräfte bei der Schrumpfung auf. Im Laufe des Abkühlungsprozesses würde sich der Profilstrang irreversibel so verformen, das er eine konvex geformte Oberseite A und eine konkav geformte Unterseite B aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diesem Problem durch die spezielle Auslegung des Coextrusionswerkzeugs begegnet. Unabhängig von der kompakten Profilwand und ihrer geometrischen Ausgestaltung für funktionelle Aufgaben, wird die Wandstärke der Profilwand in bestimmten Abschnitten vergrößert. Das erfolgt durch eine lokale Vergrößerung der Querschnittsfläche des Extrusionskanals in Richtung des Profilinneren. In 4 müsste die Verstärkung im Bereich der konvex geformten Oberseite A erfolgen. Im Ergebnis ergibt sich durch den in 5 dargestellten, vergrößerten Wandquerschnitt 5 der Oberseite A während des Abkühlens ein Gleichgewicht der Zugkräfte zwischen Oberseite A und Unterseite B. Durch diese Kräftekompensation erhalten die Profilstränge, selbst nach einer zwischenzeitlichen Verkrümmung im Abkühlungszeitraum, im Endzustand eine irreversibel gerade Form.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- kompaktes Profil
- 2
- Hohlraum
- 3
- Teilströme treibmittelhaltiger Schmelze
- 4
- Schaumkern
- 5
- Querschnitt der Wandverstärkung
- A
- konvex geformte Profiloberseite
- B
- konkav geformte Profilunterseite
