DE102011106865A1 - Continuous production method for producing fiber-reinforced plastic profiles of any cross-sectional shape using web technology, involves forming a hollow textile structure and preparing the end section of hollow textile structure - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein kontinuierliches Fertigungsverfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen beliebiger Querschnittsform unter Verwendung von Webtechnik.The present invention describes a continuous manufacturing process for the production of fiber-reinforced plastic profiles of any cross-sectional shape using weaving technique.
Faserverstärkte Kunststoffprofile sind grundsätzlich bekannt in der Patentliteratur, sowie durch Produkte, welche am Markt verfügbar sind. Unterscheidungen gibt es hinsichtlich der Herstellverfahren, sowie der Gebrauchseigenschaften, welche die jeweiligen Produkte haben. Neben gewünschten Eigenschaften ist auch der Preis der Profile relevant. Automatisierte Herstellverfahren mit einem hohen Standardisierungsgrad können Herstellkosten grundsätzlich reduzieren und sind deshalb bevorzugt.Fiber-reinforced plastic profiles are basically known in the patent literature, as well as by products which are available on the market. Distinctions exist with regard to the manufacturing process, as well as the performance characteristics, which have the respective products. In addition to desired properties, the price of the profiles is also relevant. Automated manufacturing processes with a high degree of standardization can fundamentally reduce production costs and are therefore preferred.
Textiltechnisch betrachtet handelt es sich bei
Der Pultrusionsprozess von Filamentsträngen zur Herstellung von unterschiedlichen Profilen ist hinreichend bekannt.
Sehr viel Forschungsarbeit wurde auf dem Gebiet der Profilerzeugung durch Flechten geleistet. Eine Reihe von Patenten beschreibt beispielsweise das Umflechten einer komplexen Vorform (
Das Umwickeln von Kernen stellt eine Alternative zum Umflechten dar und ist beispielsweise durch
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demzufolge erstens einen möglichst schlanken, automatisierten und industrialisierten Prozess zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen mit einstellbarer Querschnittsform zu offenbaren. Ferner muss das textile Verstärkungsmaterial dadurch gekennzeichnet sein, dass die einzelnen Filamentstränge durch textile Verkreuzungen miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch das Verfahren, beschrieben nach Anspruch 1, sowie der nachfolgenden Unteransprüche gelöst.Accordingly, the object of the present invention is, firstly, to disclose the most lean, automated and industrialized process possible for producing fiber-reinforced plastic profiles with an adjustable cross-sectional shape. Furthermore, the textile reinforcing material must be characterized in that the individual filament strands are interconnected by textile cross-over. According to the invention, the object is achieved by the method described according to
Das erfindungsgemässe Verfahren ist gekennzeichnet durch einen mehrstufigen, jedoch einheitlichen, das heisst ununterbrochenen Prozess, welcher sich in die folgenden Prozessschritte gliedert, welche in einer Maschine integriert sind:
- a) Herstellung einer textilen Hohlstruktur (Schlauch) mittels Webtechnik
- b) Verformung der textilen Hohlstruktur durch Formteile in einen gewünschten Zielquerschnitt und gleichzeitige Pultrusion, das heisst Einbringung einer Matrix in die verformte textile Hohlstruktur zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffes
- c) Abzug des Profils
- d) Ablängung des Profils
- a) Production of a textile hollow structure (tube) by means of weaving technique
- b) Deformation of the textile hollow structure by means of molded parts in a desired target cross-section and simultaneous pultrusion, that is, introduction of a matrix in the deformed textile hollow structure for producing a fiber-reinforced plastic
- c) withdrawal of the profile
- d) cutting the profile
Besonderes Merkmal der Erfindung ist ein inneres Formteil. Das innere Formteil entspricht dem gewünschten Zielquerschnitt. Beim Bandwebprozess sind bereits Elemente bekannt, welche in das fertig gewobene Band hineinragen. Genauer wird das fertig gewobene Band über diese Elemente abgezogen. Solche Elemente sind beispielsweise Kantdrähte und Lanzetten. Die textile Hohlstruktur wird also über das innere Formteil abgezogen. Damit das innere Formteil seine Position behält, wird es durch einen Draht aus der Richtung der Kettfädenzufuhr festgehalten, wie dies von Kantdrähten und Lanzetten bekannt ist. Ein inneres Formteil in dieser Ausgestaltung ist nur realisierbar, wenn das Textil hergestellt wird. Nachträglich ein inneres Formteil in eine textile Hohlstruktur einzubringen kann nur durch aufwändige Konstruktionen, wie beispielsweise in
Das innere Formteil wird durch ein äusseres Formteil ergänzt. Das äussere Formteil hat mehrere Funktionen. Zum einen können mit Hilfe eines äusseren Formteiles äusserst komplexe Querschnitte realisiert werden, welche ohne das äussere Formteil nicht möglich wären. Des Weiteren stellt der Formgebungsprozess durch das mehrteilige Formteil gleichzeitig den Prozessschritt „Pultrusion” dar. Dazu können entweder die Formteile einzeln, oder auch beide Formteile gemeinsam beheizt und auf eine bestimmte Temperatur gezielt eingestellt werden. Die Temperatur kann dazu genutzt werden eine Verstärkungsmatrix in die textile Verstärkungsstruktur einzubringen.The inner molding is complemented by an outer molding. The outer molding has several functions. On the one hand, extremely complex cross-sections can be realized with the aid of an outer molded part, which would not be possible without the outer molded part. Furthermore, the molding process by the multipart molding at the same time represents the process step "pultrusion". For this purpose, either the moldings individually, or both moldings are heated together and targeted to a specific temperature. The temperature can be used to introduce a reinforcing matrix into the textile reinforcing structure.
Die Verstärkungsmatrix kann auf unterschiedliche Wege bereitgestellt werden. Erstens kann ein thermoplastisches Material als Fadenmaterial zwischen den Verstärkungsfasern auf der Webmaschine und damit dem Pultrusionskopf, welcher gleichzeitig die Formgebung darstellt, zugeführt werden. Vorraussetzung ist, das der Schmelzpunkt der Verstärkungsmatrix deutlich unter dem Schmelzpunkt des textilen Verstärkungsmaterials liegt. Bei Verwendung von z. b. Polyethylenterephthalat (Schmelzpunkt: ca. 260°C) als Verstärkungsmaterial, kann z. b. Polypropylen (Schmelzpunkt: ca. 160°C) als schmelzbare Matrix in der Vorlageform als textiler Faden gewählt werden. Als Alternative bietet der Markt bereits Filamentstränge an, welche exakt auf diesen Einsatzzweck ausgerichtet sind und Verstärkungsmaterial zusammen mit dem Material welches die Matrix bilden wird, im richtigen Mischungsverhältnis in einem Filamentstrang bereit stellt. Ein solches Produkt ist beispielsweise Twintex® der Firma Owens Corning. Zweitens besteht die Möglichkeit eine Verstärkungsmatrix von aussen durch Einspritzdüsen innerhalb des Pultrusionskopfes (äusseres Formteil) einzubringen. Dieses Material kann auch ein duroplastisches Material sein, welches keinen Schmelzpunkt hat und während des Pultrusionsprozesses chemisch aushärtet.The gain matrix can be provided in different ways. First, a thermoplastic material can be supplied as a thread material between the reinforcing fibers on the loom and thus the pultrusion head, which simultaneously represents the shaping. The prerequisite is that the melting point of the reinforcing matrix is well below the melting point of the textile reinforcing material. When using, for example, polyethylene terephthalate (melting point: about 260 ° C) as a reinforcing material, eg polypropylene (melting point: about 160 ° C) can be selected as a meltable matrix in the original form as a textile thread. As an alternative, the market already offers filament strands which are precisely tailored to this purpose and will provide reinforcing material in the correct mixing ratio in a filament strand together with the material which will form the matrix. One such product is, for example, Twintex ® Owens Corning. Secondly, it is possible to introduce a reinforcing matrix from the outside through injection nozzles inside the pultrusion head (outer molding). This material may also be a thermoset material which has no melting point and chemically cures during the pultrusion process.
Nach dem Pultrudieren ist das Profil aus kunststofftechnischer Sicht fertig. Der Abzug muss gewährleisten, dass das Profil ohne Schlupf transportiert wird. Da das Profil nicht kompressibel ist, muss der Abzug der jeweiligen Querschnittsform Rechnung tragen. Das geht einerseits mit spezialisierten Walzenpaaren, was jedoch sehr aufwändig ist. Eine andere Lösung wäre ein Greifarm, welcher das Profil greift und zieht. So können zwar keine endlos langen Profile produziert werden, andererseits ist dies auch nicht notwendig, da starre Profile stets eine begrenzte Maximallänge haben.After pultruding, the profile is finished from a technical point of view. The trigger must ensure that the profile is transported without slippage. Since the profile is not compressible, the trigger must take into account the respective cross-sectional shape. On the one hand, this is done with specialized roller pairs, which is very time-consuming. Another solution would be a gripping arm which grips and pulls the profile. Although no endlessly long profiles can be produced, on the other hand this is not necessary since rigid profiles always have a limited maximum length.
In einem letzten Prozessschritt muss das Profil auf Länge getrennt werden. Die Art des Trennungsverfahrens bestimmt, ob der Gesamtprozess kontinuierlich oder diskontinuierlich abläuft. Da es sich bei diesem Profil um ein starres, oder festes Gebilde handelt, kann es nicht mit einem einfachen Scherenschnitt getrennt werden. Als Trennverfahren kommen je nach Profilgrösse und Querschnitt, sowie Wahl der Materialien in Frage: Sägen; Laserschneiden; mechanisches und thermisches Schneiden, sowie Wasserstrahlschneiden. Bevorzugt wird das Sägen. Alle vorgeschlagenen Prozesse dauern eine gewisse Zeit, sodass entweder das Profil während des Trennvorganges nicht bewegt werden darf, oder die Trennvorrichtung sich während des Trennvorganges mit dem Profil gleichförmig mitbewegt. Ziel ist, dass keine Relativbewegung zwischen Trennvorrichtung und Profil stattfindet. Ein diskontinuierliches Arbeiten kann jedoch komplett automatisiert werden, sodass kein manuelles Eingreifen während des Trennprozesses notwendig ist.In a final process step, the profile must be separated to length. The nature of the separation process determines whether the overall process is continuous or discontinuous. Since this profile is a rigid or solid structure, it can not be separated with a simple paper cut. Depending on the profile size and cross section, as well as the choice of materials, the following methods of separation are possible: sawing; Laser cutting; mechanical and thermal cutting, as well as water jet cutting. Preference is given to sawing. All proposed processes take a certain time, so that either the profile must not be moved during the separation process, or the separator moves uniformly during the separation process with the profile. The aim is that no relative movement between separator and profile takes place. However, discontinuous operation can be completely automated, eliminating the need for manual intervention during the separation process.
Wird als Abzug die oben beschriebene Variante eines Greifarmes ausgeführt, ergibt sich auch hier ein diskontinuierliches Arbeiten, was ebenso wie der Trennprozess automatisiert werden kann. Bevorzugt wird das Trennen des Profils mit dem diskontinuierlichen Profilabzug durch einen Greifarm, zeitlich synchronisiert ausgeführt.If the above-described variant of a gripping arm is executed as a trigger, a discontinuous working also results here, which can be automated as well as the separation process. Preferably, the separation of the profile with the discontinuous profile deduction by a gripper arm, executed synchronized in time.
Beispiel 1:Example 1:
Ein erstes Ausführungsbeispiel soll das Verfahren anhand eines runden Hohlprofils beschreiben. Als Herstellverfahren des textilen Faserverbundes kommt in diesem Fall Bandwebtechnik zum Einsatz. Als Vorlage dazu dienen zwei Arten von Filamentsträngen. Einerseits wird Polyethylenterephthalat (
Da der Zielquerschnitt ein rundes Hohlprofil ist, weist das innere Formelement (
Neben dem inneren Formelement wird ein äusseres Formelement (
Der Abzug des runden Hohlprofils erfolgt durch ein Walzenpaar (
Die Ablängung erfolgt durch eine Sage, beispielhaft in einem diskontinuierlichen Arbeitsprozess. Das bedeutet, dass der gesamte Produktionsprozess während des Sägevorganges angehalten wird. Stopp, Ablängung und Wiederaufnahme der Produktion erfolgen automatisiert.The lengthening is done by a legend, for example in a discontinuous working process. This means that the entire production process is stopped during the sawing process. Stop, cut and resume production are automated.
Das beschriebene runde Hohlprofil kann beispielsweise beim Apparate- und Anlagenbau eingesetzt werden und ist besonders dann hilfreich, wenn ein optimiertes Verhältnis zwischen Bauteilgewicht und Einsatzeigenschaften (z. B. Zug-/Druckfestigkeit) gefordert ist.The round hollow profile described can be used, for example, in apparatus and plant construction and is particularly helpful when an optimized ratio between component weight and insert properties (eg tensile strength / compressive strength) is required.
Beispiel 2:Example 2:
Basierend auf Beispiel 1 wird ein zweites Anwendungsbeispiel formuliert, um die Flexibilität des Verfahrens darzustellen. Die veränderten Parameter gegenüber dem vorgängigen Beispiel werden wie folgt zusammengefasst:
- – Auswahl des Verstärkungsmateriales: es kommen neben dem erwähnten Polyethylenterephthalat auch andere Materialien zum Einsatz, wie diverse Polyamide und Aramide, Glas- und Kohlefaser, Viskose, Polyetheretherketon, sowie Naturfasern (insbesondere Baumwolle, Sisal, Kokos, Wolle)
- – Auswahl des Materiales für die Verstärkungsmatrix: neben thermoplastischen Materialien mit geringem Schmelzpunkt wie Polypropylen, gibt es auch vernetzende Materialien, wie es beispielsweise Epoxidharze, Polyesterharze, Acrylharze und Phenolharze sind.
- – Dem Fachmann sind vorteilhafte Materialkombinationen zwischen Verstärkungsfaser und Matrix hinreichend bekannt, weshalb auf die unterschiedlichen Kombinationen hier nicht genauer eingegangen wird.
- – Ein Einbringen einer Matrix von aussen, das heisst nicht durch die Zuführung von textilen Filamentsträngen erfolgt unter Druck am Pultrusionskopf, also dem äusseren Formelement durch dort installierte Düsen.
- – Alle denkbaren und üblichen Profilquerschnitte können realisiert werden, wobei alle Querschnittsformen als Hohlquerschnitt ausgeführt werden (siehe
- – Die Wandstärke des Profils wird durch die Anzahl der Filamentstränge, deren Verteilung (Dichte), sowie die Bindungstechnik bestimmt. Es ist beispielsweise denkbar durch die Konstruktion eines Vierlagengewebes (wobei jeweils 2 benachbarte Lagen durch textile Fäden miteinander verbunden sind und beide Lagenpakete die textile Schlauchstruktur bilden, da die Lagenpakete nur an ihren beiden Kanten miteinander verbunden sind) die Wandstärke gezielt einzustellen und auf die jeweilige Anwendung zu optimieren.
- Selection of the reinforcing material: besides the polyethylene terephthalate mentioned, other materials are also used, such as various polyamides and aramids, glass and carbon fibers, viscose, polyether ether ketone, and natural fibers (in particular cotton, sisal, coconut, wool)
- Selection of reinforcing matrix material: in addition to low melting point thermoplastic materials such as polypropylene, there are also crosslinking materials such as epoxy resins, polyester resins, acrylic resins and phenolic resins.
- The skilled worker is well aware of advantageous combinations of materials between the reinforcing fiber and the matrix, which is why the different combinations will not be discussed in more detail here.
- - An introduction of a matrix from the outside, that is not by the supply of textile filament strands takes place under pressure at Pultrusionskopf, so the outer mold element through there installed nozzles.
- - All conceivable and usual profile cross-sections can be realized, with all cross-sectional shapes are designed as a hollow cross-section (see
- - The wall thickness of the profile is determined by the number of filament strands, their distribution (density), as well as the binding technique. It is conceivable, for example, by the construction of a four-ply fabric (two adjacent layers are connected to each other by textile threads and both ply packages form the textile tube structure, since the ply packages are connected only at their two edges) adjust the wall thickness targeted and to the particular application to optimize.
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