DE102017215693A1

DE102017215693A1 - Pultrusionswerkzeug und Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Profilbauteils

Info

Publication number: DE102017215693A1
Application number: DE102017215693.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Helm; Dominic Krebs
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pultrusionswerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Profilbauteils, wobei das Profilbauteil zumindest Verstärkungsfasern und einen Matrixwerkstoff umfasst, wobei das Pultrusionswerkzeug (1A) eine Kavität (12) umschließt, welche einen Injektionsabschnitt (14) mit mindestens einer Injektionsöffnung (15) zur Infiltration der Verstärkungsfasern mit einem injizierten Matrixwerkstoff und einen daran anschließenden Profilformungsabschnitt (16) zur Formgebung des Profils des Profilbauteils aufweist. Erfindungsgemäß ist im Injektionsabschnitt (14) oder benachbart dazu eine Faserführungsvorrichtung (30) in der Kavität (12) angeordnet mit wenigstens einer Faserführungsstruktur (32), welche mindestens ein Faserführungselement (300, 301, ...) umfasst, zur Führung und Stabilisierung der räumlichen Anordnung von Verstärkungsfasern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pultrusionswerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Profilbauteils.
Das Pultrusionsverfahren wird als kontinuierliches Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffprofile verwendet. Eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, die als Einzelfasern, Faserbündel (Rovings) oder auch als flächige Faserhalbzeuge vorliegen können, werden einem Pultrusionswerkzeug zugeführt. Die Fasern werden mit einem Matrixwerkstoff getränkt und als konsolidiertes Faser-Kunststoffprofil durch Abzugsvorrichtungen aus dem Pultrusionswerkzeug abgezogen.
Das Pultrusionswerkzeug umschließt eine Kavität, durch welche die Fasern hindurchgezogen werden. Erfolgt die Pultrusion im Injektionsverfahren so weist das Pultrusionswerkzeug in Durchzugsrichtung der Fasern einen Injektionsabschnitt auf sowie einen daran anschließenden Profilformungsabschnitt. Im Injektionsabschnitt wird der noch unkonsolidierte Matrixwerkstoff durch eine oder mehrere Injektionsöffnungen quer zur Durchzugsrichtung der Fasern in die Kavität eingespritzt. An den Injektionsabschnitt schließt sich der Profilformungsabschnitt an, in welchem die mit Matrixwerkstoff imprägnierten Fasern im Querschnitt kompaktiert und an die herzustellende Profilform herangeführt werden. Im Pultrusionswerkzeug erfolgt weiterhin eine Konsolidierung des Matrixwerkstoffs, z.B. durch eine Temperierung des Pultrusionswerkzeugs, so dass am Ausgang desselben das fertige faserverstärkte Kunststoffprofil vorliegt und abgezogen werden kann. Mittels einer nachgeschalteten Trennvorrichtung, z.B. einer Säge, kann das Profil abgelängt werden.
Die trockenen Verstärkungsfasern werden von Rollen und Spulen abgewickelt und über Führungselemente zum Pultrusionswerkzeug geführt. Durch die Führungselemente können die Verstärkungsfasern in Relation zueinander bereits so in das Pultrusionswerkzeug eingeführt werden, wie dies im fertigen Profil gewünscht ist. Im Pultrusionswerkzeug selbst sind die Verstärkungsfasern jedoch ungeführt und bleiben bis zur Konsolidierung in ihrer Anordnung zueinander noch verschiebbar.
Im Bereich des Injektionsabschnitts weitet sich die Kavität des Pultrusionswerkzeug üblicherweise auf, wodurch das Eindringen des Matrixwerkstoffs zwischen die Verstärkungsfasern begünstigt werden soll. Diese Aufweitung hat sich jedoch als problematisch herausgestellt, da sie Faserverschiebungen begünstigt. Insbesondere kann es während der Injektion durch den Massefluss des Matrixwerkstoffs dazu kommen, dass mehrere Faserstränge zu kompakten Paketen zusammengedrückt werden oder sich in textilen Halbzeugen Falten, Wellen oder Gassen bilden, wodurch auch weitere zugeführte Fasern verschoben werden können. Die Verstärkungsfasern verlassen ihre Soll-Position, die sie im fertigen Profilbauteil einnehmen sollen. Dadurch können faserfreie Gebiete im Profilbauteil entstehen. Die Bildung derartiger kompakter Faseransammlungen verhindert zudem eine gleichmäßige Durchtränkung der Fasern mit Matrixwerkstoff.
Hierdurch kann die Qualität des hergestellten faserverstärkten Profilbauteils beeinträchtigt sein, bis hin zu einer völligen Unbrauchbarkeit des faserverstärkten Profilbauteils.
Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 203 884.5 ist es bekannt, zur Verbesserung der Qualität von faserverstärkten Profilbauteilen am Ausgang des Pultrusionswerkzeugs eine Anfahrhilfe vorzusehen. Die Anfahrhilfe beinhaltet einen Blendenabschnitt, der am Ausgang des Pultrusionswerkzeugs angeordnet wird und Führungselemente zur Führung und Stabilisierung der räumlichen Anordnung der Fasern aufweist. Diese Anfahrhilfe positioniert die Fasern zu Beginn der Profilherstellung, d.h. solange bis matrixgetränkte Fasern am Ausgang des Pultrusionswerkzeugs abgezogen werden.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie die Qualität von faserverstärkten Profilbauteilen weiter verbessert werden kann und insbesondere Profilbauteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erzeugt werden können. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, den Imprägniervorgang der Fasern auf einfache und kostengünstige Art und Weise zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Pultrusionswerkzeug nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird in der Kavität des Pultrusionswerkzeugs im Injektionsabschnitt oder benachbart dazu eine Faserführungsvorrichtung angeordnet. Die Faserführungsvorrichtung weist wenigstens eine Faserführungsstruktur mit mindestens einem Faserführungselement zur Führung und Stabilisierung der räumlichen Anordnung von Verstärkungsfasern auf.
Im Injektionsabschnitt des Pultrusionswerkzeugs erfolgt das Injizieren des Matrixwerkstoffs in die Verstärkungsfasern. Dadurch, dass eine Faserführungsvorrichtung unmittelbar im oder benachbart zum Injektionsabschnitt vorgesehen ist, werden die Fasern am Injektionspunkt in einer definierten Position gehalten. Als benachbart zum Injektionsabschnitt sollen insbesondere die in Faserdurchzugsrichtung davor oder danach liegenden und unmittelbar an den oder die Injektionsöffnungen angrenzenden Kavitätsabschnitte betrachtet werden. Jedoch kann auch eine Faserführungsvorrichtung, die mit größerem Abstand zur Injektionsöffnung angeordnet ist, noch als benachbart gelten, sofern durch sie die Verstärkungsfasern an der Stelle der Matrixinjektion ausreichend stabilisiert werden um einen unkontrollierte Faserbewegung, insbesondere quer zur Durchzugsrichtung zu verhindern. Eine solche Anordnung mit größerem Abstand zur Injektionsöffnung kann insbesondere dann genug Faserführung bereitstellen, wenn die Faserführungsvorrichtung Faserführungsstrukturen vor und nach der Injektionsöffnung beinhaltet.
Durch die Führung der Verstärkungsfasern in der Kavität wird bereits beim Injizieren des Matrixwerkstoffs eine definierte Faserlage gewährleistet werden. Die Faserverteilung im Injektionspunkt wird gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen homogener. Eine ungewollte Kompaktierung des Faserpaketes wird verhindert, weshalb vorteilhafter Weise der notwendige Injektionsdruck verringert werden kann. Zudem wird auch im nachfolgenden Profilformungsabschnitt eine homogenere Faserverteilung erreicht, was zu homogeneren mechanischen Eigenschaften des fertigen Profilbauteils führt. Aufgrund des geringeren notwendigen Injektionsdrucks kann die Anlagentechnik einfacher und kostengünstiger gestaltet werden. Die Qualität der Imprägnierung erhöht sich. Insbesondere kann eine gute Faserimprägnierung bei kompakten Faseranordnungen mit großer Faserdichte erzielt werden, da eine ungewollte Kompaktierung während der Injektion zuverlässig vermieden wird.
Die Faserführungsvorrichtung kann ein einziges Faserführungselement aufweisen. Vorzugsweise wird die Faserführungsvorrichtung jedoch zwei oder mehr Faserführungselemente und insbesondere eine Vielzahl von Faserführungselementen, z.B. mehr als 10, aufweisen.
In einer Ausgestaltung weist die Faserführungsvorrichtung mindestens einen Blendenabschnitt auf, der im Querschnitt der Kavität angeordnet ist, wobei das mindestens eine Faserführungselement durch eine im Blendenabschnitt ausgebildeten Durchgangsöffnung gebildet wird. Der Blendenabschnitt wird vorzugsweise durch einen plattenartigen Körper gebildet, der quer zur Durchzugsrichtung der Fasern in der Kavität angeordnet wird. Das Faserführungselement kann als Durchgangsöffnung in dem plattenartigen Körper ausgebildet sein. In diesem Fall werden die zu führenden Verstärkungsfasern durch die Durchgangsöffnung hindurchgeführt, wobei die Lochwandung eine Bewegung der Verstärkungsfasern quer zur Durchzugsrichtung begrenzt und so die räumliche Lage der Fasern im Querschnitt der Kavität definiert. Die Form und Größe der Durchgangsöffnung kann dabei an die Art und Menge der zu führenden Fasern angepasst sein.
Als Verstärkungsfasern können einzelne Endlosfasern, insbesondere aber Rovings oder auch textile Halbzeuge, wie z.B. Gelege, Gestricke, Geflecht etc. durch das Pultrusionswerkzeug gezogen werden. Für die Führung von Einzelfasern und Rovings kann es vorteilhaft sein, wenn die Durchgangsöffnung einen gerundeten oder kreisförmigen Querschnitt aufweist. Jedoch ist die Form der Durchgangsöffnung nicht darauf beschränkt. Ebenso kann die Durchgangsöffnung z.B. auch als Langloch oder Schlitz ausgebildet sein, was insbesondere zur Führung von flächigen textilen Halbzeugen vorteilhaft ist.
Im Blendenabschnitt kann eine einzelne Durchgangsöffnung ausgebildet sein. Alternativ können auch mehrere Durchgangsöffnungen räumlich beabstandet voneinander ausgebildet sein, wobei die einzelnen Durchgangsöffnungen den gleichen oder auch verschiedene Querschnitte aufweisen können.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Faserführungsstruktur mehrere Faserführungselemente umfassen und zumindest abschnittsweise kammartig ausgebildet sein. Kammartig im Sinne der Erfindung kann insbesondere bedeuten, dass die Faserführungselemente zinkenartige Abschnitte aufweisen, die durch Zwischenräume voneinander getrennt sind. Die Faserführungselemente können insbesondere an einem Blendenabschnitt der Faserführungsvorrichtung angeordnet sein. Die Zwischenräume sind insbesondere zum Führen der einzelnen Verstärkungsfasern bzw. von Gruppen von Verstärkungsfasern und/oder Faserbündeln, ausgebildet. Durch die Zinken zwischen den Zwischenräumen kann ein Verrutschen der einzelnen Fasern bzw. Faserbündeln sicher vermieden werden. Eine derartige kammartige Ausgestaltung der Faserführungselemente ermöglicht insbesondere ein besonders einfaches und schnelles Einlegen der Fasern in die Faserführungsvorrichtung.
Vorzugsweise werden die Verstärkungsfasern dem Pultrusionswerkzeug in Fasergruppen zugeführt. Bei den Fasergruppen kann es sich beispielsweise um Rovings oder um textile Halbzeuge handeln. Auch können sowohl Rovings als auch textile Halbzeuge zugeführt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Faserführungsvorrichtung für wenigstens eine dieser Fasergruppen ein zugeordnetes Faserführungselement aufweist. Das zugeordnete Faserführungselement ist dann speziell an eine Fasergruppe angepasst, indem es beispielsweise in Größe und/oder Position an die Fasergruppe angepasst ist.
Dies ermöglicht eine besonders gute und individuelle Führung der Fasergruppe durch die Faserführungsvorrichtung.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Faserführungsvorrichtung für jede der Fasergruppen ein zugeordnetes Faserführungselement aufweist. Somit wird eine besonders gute räumliche Führung der Fasern - insbesondere auch relativ zueinander - gewährleistet.
Je nach der gewünschten Anordnung der Fasern im fertigen Bauteil kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Faserführungsvorrichtung für zumindest zwei der Fasergruppen ein gemeinsames Faserführungselement aufweist. So können beispielsweise zwei oder mehr Rovings oder zwei oder mehr textile Halbzeuge durch eine gemeinsame Durchgangsöffnung geführt werden oder es können ein oder mehrere Rovings mit einem oder mehreren textilen Halbzeugen durch eine gemeinsame Durchgangsöffnung geführt werden. Ist die Faserführungsvorrichtung kammartig ausgebildet, so können vorzugsweise zwei oder mehr Rovings gemeinsam zwischen zwei zinkenartigen Faserführungselemente geführt werden. Insbesondere kann durch die gemeinsame Führung die Komplexität der Faserführungsvorrichtung verringert werden.
Die Form der Faserführungsstruktur der Faserführungsvorrichtung kann durch den Querschnitt (betrachtet in Durchzugsrichtung der Fasern) eines einzigen Faserführungselementes gegeben sein, z.B. wenn es sich bei dem Faserführungselement um einen Längsschlitz handelt (gerade oder gewinkelt oder anderweitig geformt). Dann kann der Querschnitt dieses Faserführungselementes vorgeben, wie die räumliche Anordnung der Fasern zueinander ist. Weist die Faserführungsvorrichtung mehrere Faserführungselemente auf, so wird die Faserführungsstruktur durch die Gesamtheit der Faserführungselemente und ihre räumliche Anordnung zueinander bestimmt. In einer Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Form der Faserführungsstruktur an einen Querschnitt des Profilbauteils angepasst ist. Dies bedeutet, dass die Faserführungsstruktur die Fasern bereits in der geometrischen Form des fertigen Profilbauteils führt, also z.B. ein U-Profil, ein Viereck-Profil, ein L-Profil. Insbesondere kann eine räumliche Zuordnung einzelner Fasergruppen zueinander durch die Faserführungsstruktur vorgegeben sein, d.h. durch das oder die Faserführungselemente werden bereits diejenigen Fasern bzw. Fasergruppen nebeneinander angeordnet, die auch im fertigen Profilbauteil nebeneinander liegen sollen. Hierdurch können unerwünschte Verdrehungen einzelner Fasergruppen wirkungsvoll vermieden werden.
Allerdings muss dies nicht zwangsläufig bedeuten (kann aber in einer Ausgestaltung bedeuten), dass die Abstände zwischen den einzelnen, in der Faserführungsvorrichtung geführten Fasergruppen schon dem Abstand im späteren Profil entsprechen. Vielmehr kann die Faserführungsstruktur die Fasergruppen zwar in derselben geometrischen Form anordnen, wie sie im Bauteil gewünscht ist, jedoch mit einem vergrößerten Abstand zueinander, so dass eine Infiltrierung mit Matrixmaterial erleichtert wird.
Eine besonders sichere Führung der Verstärkungsfasern wird in einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass die Faserführungsvorrichtung einen ersten Blendenabschnitt beinhaltet, der vor der wenigstens einen Injektionsöffnung angeordnet ist und einen zweiten Blendenabschnitt beinhaltet, der nach der wenigstens einen Injektionsöffnung angeordnet ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite Blendenabschnitt jeweils mindestens ein Faserführungselement aufweist.
Die Faserführungselemente können wie voranstehend beschrieben ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Fasergruppen nahezu parallel durch den Injektionsabschnitt geführt werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn das wenigstens eine Faserführungselemente im ersten Blendenabschnitt - in Durchzugsrichtung der Verstärkungsfasern betrachtet - fluchtend zu dem wenigstens einen Faserführungselement im zweiten Blendenabschnitt angeordnet ist. Sind mehrere Faserführungselemente im ersten und zweiten Blendenabschnitt vorgesehen, so sind einander zugeordnete Faserführungselemente im ersten und zweiten Blendenabschnitt, durch die dieselbe Fasergruppe geführt wird, vorzugsweise fluchtend zueinander angeordnet.
Die beschriebene Ausgestaltung mit zwei Blendenabschnitten kann bevorzugt derart realisiert werden, dass die Faserführungsvorrichtung als Hohlkörper ausgebildet ist, wobei der erste Blendenabschnitt eine erste Seitenwand des Hohlkörpers bildet, der zweite Blendenabschnitt eine der ersten Seitenwand gegenüberliegende zweite Seitenwand des Hohlkörpers bildet und der Hohlkörper mindestens eine Injektionsöffnung aufweist zur Injektion des Matrixwerkstoffs in den zwischen den Seitenwänden gelegenen Zwischenraum. Eine solche „Box-artige“ Faserführungsvorrichtung kann sehr preisgünstig aus Kunststoff hergestellt werden. Ist sie zudem reversibel im Pultrusionswerkzeug befestigt, so kann sie nach erfolgter Profilherstellung entnommen und durch eine neue „Box“ ersetzt werden. Hierdurch kann der Reinigungsaufwand im Pultrusionswerkzeug verringert werden und es können Stillstandszeiten reduziert werden. Es ist jedoch auch eine Wiederverwendung der Box-artigen Faserführungsvorrichtung, ggf. nach einer Reinigung, denkbar.
Zur Verbesserung der Bauteilqualität kann es vorteilhaft sein, wenn der Blendenabschnitt und/oder die Faserführungselemente eine faserschonende Oberfläche und/oder eine faserschonende Geometrie aufweisen. Eine faserschonende Oberfläche kann vorzugsweise besonders glatt oder besonders gleitfähig sein. Dies kann z.B. durch ein Polieren oder Beschichten der Oberfläche erzielt werden. Faserschonend kann die Oberfläche auch durch besondere konstruktive Maßnahmen gestaltet sein, wie z.B. das Vermeiden jedweder scharfer Kanten oder Ecken, an denen die Fasern beim Abziehen strukturell beeinträchtigt werden könnten.
Um eine schnelle Anpassung des Pultrusionswerkzeug an unterschiedliche Verstärkungsanforderungen zu ermöglichen, kann die Faserführungsvorrichtung modular ausgebildet sein. So kann z.B. der Blendenabschnitt aus zwei oder mehr Blendenmodulen zusammengesetzt werden, wobei jeder Blendenabschnitt eigene Faserführungselemente aufweisen kann.
Um eine Reinigung des Werkzeugs zu erleichtern, kann es in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Faserführungsvorrichtung reversibel im Pultrusionswerkzeug befestigt ist. Die Faserführungsvorrichtung kann beispielsweise mit dem Pultrusionswerkzeug verschraubt sein. Besteht das Pultrusionswerkzeug aus zwei oder mehr Werkzeugteilen, so kann die Faserführungsvorrichtung auch in eine im Inneren der Werkzeugteile ausgebildeten Nut eingesetzt werden und beim Schließen der Werkzeugteile formschlüssig zwischen diesen fixiert sein. Andere Ausgestaltungen sind denkbar.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Profilbauteils angegeben, wobei das voranstehend beschriebene Pultrusionswerkzeug verwendet wird. Durch das Pultrusionswerkzeug können in bekannter Weise faserverstärkte Profilbauteile in einem Pultrusionsvorgang hergestellt werden, wobei die Profilbauteile zumindest Verstärkungsfasern und einen Matrixwerkstoff umfassen. Die Verstär-kungsfasern können aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein, wobei beispielsweise Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern verwendet werden können. Auch verschiedene Matrixwerkstoffe können bei der Herstellung des faserverstärkten Profilbauteils eingesetzt werden, beispielsweise thermoplastische und/oder duroplastische Matrixwerkstoffe.
Bei dem Verfahren werden zunächst Verstärkungsfasern im Pultrusionswerkzeug einer Pultrusionsvorrichtung angeordnet. Die Fasern werden von einem Werkzeugeinlass durch die Kavität des Pultrusionswerkzeugs bis zu einem Werkzeugauslass geführt. Im Injektionsabschnitt des Pultrusionswerkzeugs wird die räumliche Anordnung der Verstärkungsfasern durch die Faserführungsvorrichtung wie voranstehend beschrieben stabilisiert. Mittels einer nach dem Pultrusionswerkzeug angeordneten Abzugsvorrichtung werden die Verstärkungsfasern abgezogen. Im Injektionsabschnitt wird der Matrixwerkstoff zu den Verstärkungsfasern injiziert.
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Pultrusionswerkzeugs erzielt das Verfahren dieselben dort beschriebenen technischen Wirkungen und Vorteile.
Zur Verbesserung der Bauteilqualität schon zu Beginn des Pultrusionsprozesses kann es vorteilhaft sein das beschriebene Pultrusionswerkzeug zusätzlich mit der in der älteren Patentanmeldung DE 10 2017 203 884.5 beschriebenen Anfahrhilfe auszustatten und diese zu Beginn des Verfahrens mit einzusetzen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

1 ein herkömmliches Pultrusionswerkzeug nach dem Stand der Technik,
2 ein erfindungsgemäßes Pultrusionswerkzeug,
3A bis 3E beispielhafte Ausgestaltungen von Faserführungsvorrichtungen und
4 eine weitere beispielhafte Ausgestaltung einer Faserführungsvorrichtung.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen Pultrusionswerkzeugs 1. Das Pultrusionswerkzeug 1 umfasst ein Werkzeugoberteil 10 und ein Werkzeugunterteil 11, die im geschlossenen Zustand eine Kavität 12 umschließen. Von einem Werkzeugeingang werden Verstärkungsfasern bzw. Fasergruppen 20, 22 und 24 in Form von Rovings oder textilen Halbzeugen in die Kavität 12 hineingeführt und verlassen diese wieder am Werkzeugausgang. Die Durchzugsrichtung der Fasergruppen ist durch den Pfeil D dargestellt. Beim Durchlauf durch das Pultrusionswerkzeug 1 passieren die Fasergruppen zunächst einen Injektionsabschnitt 14, in dem ein nicht dargestellter Matrixwerkstoff durch Injektionsöffnungen 15 zugeführt wird. Um die Infiltrierung der Verstärkungsfasern 20, 22, 24 mit Matrixwerkstoff zu erleichtern, ist der Querschnitt der Kavität 12 im Injektionsabschnitt 14 gegenüber dem restlichen Querschnitt vergrößert. Die mit Matrixwerkstoff getränkten Fasern werden dann weiter durch einen Profilformungsabschnitt 16 gezogen. In diesem Profilformungsabschnitt 16 verjüngt sich der Querschnitt der Kavität 12 bis zum Querschnitt des herzustellenden Profilbauteils. Zur Konsolidierung des Matrixwerkstoffs kann das Pultrusionswerkzeug 1 weiterhin eine nicht dargestellte Aufheiz- und Abkühlvorrichtung aufweisen. Am Ausgang des Pultrusionswerkzeugs 1 wird das fertige faserverstärkte Kunststoffprofil mittels nicht dargestellter Abziehvorrichtungen abgezogen.
An den Injektionsöffnungen 15 wird der Matrixwerkstoff von der Seite und quer zur Abzugsrichtung in die Verstärkungsfasern 20, 22, 24 injiziert. Durch den Injektionsdruck und den Massefluss der Matrix kann es zu einer unerwünschten Verschiebung oder Komprimierung der Fasern im Injektionsabschnitt 14 kommen, wie in 1 dargestellt.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Pultrusionswerkzeug 1A, dass gegenüber dem herkömmlichen Pultrusionswerkzeug zusätzlich eine Faserführungsvorrichtung 30 aufweist, die im Injektionsabschnitt 14 oder benachbart dazu angeordnet ist.
Die Faserführungsvorrichtung 30 kann dabei, wie in 2 dargestellt, in Durchzugsrichtung D vor den Injektionsöffnungen 15 oder auch danach angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, wie nachfolgend näher erläutert, dass die Faserführungsvorrichtung 30 eine Faserführungsstruktur sowohl vor als auch hinter der Injektionsöffnung 15 aufweist.
Die 3A bis 3E und 4 zeigen verschiedene beispielhafte Ausgestaltungen einer Faserführungsvorrichtung 30 in schematischer Darstellung.
Die Faserführungsvorrichtung 30 umfasst wenigstens eine Faserführungsstruktur 32 mit mindestens einem Faserführungselement 300, 201, 302, ... zur Führung und Stabilisierung der räumlichen Anordnung der Verstärkungsfasern bzw. Fasergruppen 20, 22, 24.
Die in den 3A bis 3E gezeigten Faserführungsvorrichtungen sind blendenartig ausgebildet, d.h. sie weisen einen plattenförmigen Blendenabschnitt 31 auf, der quer zur Durchzugsrichtung D in das Pultrusionswerkzeug eingebracht wird. Die Faserführungsvorrichtung 30 ist reversibel am Pultrusionswerkzeug 1A befestigt. Beispielsweise kann die Faserführungsvorrichtung 30 in hierfür vorgesehene Nuten im Werkzeugoberteil und -unterteil 10, 11 eingesteckt sein und durch Verschließen derselben formschlüssig festgelegt werden.
In 3A ist eine Faserführungsvorrichtung 30 zur Herstellung eines massiven Vierkantprofils gezeigt. Das Vierkantprofil soll eine Vielzahl von Faserrovings enthalten. Die Form der Faserführungsstruktur 32 ist dem Querschnitt des fertigen Bauteils nachempfunden und ebenfalls ein Viereck. Bei der Faserführungsvorrichtung 30 gemäß 3A sind die Faserführungselemente 300, 301, ... durch eine Vielzahl von Durchgangslöchern gebildet, welche sich quer durch den Blendenabschnitt 31 erstrecken. Die Durchgangslöcher 300, 301, ... haben vorzugsweise einen kreisförmigen oder gerundeten Querschnitt. In jedes der Durchgangslöcher 300, 301, ... wird ein Faserroving eingeführt, beispielhaft gezeigt für Faserroving 20. Durch die Anordnung der einzelnen Faserführungselemente 300, 301, ... zueinander ergibt sich die Form der Faserführungsstruktur 32. Die Durchgangslöcher sind matrixförmig derart angeordnet, wie die Fasern im fertigen Profilbauteil zueinander liegen sollen. Der Abstand der Faserführungselemente voneinander kann hierbei jedoch bewusst größer gewählt, als die Faserrovings im fertigen Bauteil beieinander liegen sollen, um ein Eindringen des Matrixwerkstoffs zwischen die Fasern zu gewährleisten.
Indem die Faserführungsvorrichtung 30 in der Nähe der Injektionsöffnung 15 angeordnet wird, wird einerseits ein definierter Abstand zwischen den Fasern gewährleistet. Die Faserführungsvorrichtung 30 verhindert, dass Faserrovings durch den Injektionsdruck zueinander verschoben werden und ggf. faserfreie Abschnitte im Profil entstehen. Weiterhin wird durch den definierten Abstand ein optimales Eindringen des Matrixwerkstoffs zwischen die Faserrovings gewährleistet.
Je nach zu erzeugendem Profilquerschnitt kann die Anordnung der Faserführungselemente variiert werden.
3B zeigt beispielhaft eine Faserführungsvorrichtung 30, bei der die Faserführungsstruktur 32 durch entsprechende Anordnung der Faserführungselemente 300, 301, 302, ... ein U-Profil abbildet.
Die Form der Faserführungsstruktur 32 kann jedoch auch durch den Querschnitt eines einzigen Faserführungselementes gebildet werden und mit diesem übereinstimmen. So zeigt 3C beispielhaft eine Faserführungsvorrichtung 30, bei der ein einziges Faserführungselement 310 als schlitzförmige Durchgangsöffnung im Blendenabschnitt 31 ausgebildet ist. Das Faserführungselement 310 ist in dieser Ausgestaltung identisch mit der Faserführungsstruktur 32. Ein derartiges Faserführungselement 310 ist besonders vorteilhaft, wenn die Verstärkungsfasern in Form eines flächigen textilen Halbzeugs (oder mehrerer flächiger textiler Halbzeuge), wie z.B. als Gelege, Gestrick o.ä. zugeführt werden. Bei flächigen textilen Halbzeugen besteht in herkömmlichen Pultrusionswerkzeugen während des Injizierens des Matrixwerkstoffs die Gefahr, dass diese Taschen oder Wellen ausbilden oder teilweise umklappen und so faserfreie Profilabschnitte entstehen. Dies wird zuverlässig verhindert, da das schlitzförmige Faserführungselement 310 das textile Halbzeug in der Form führt und stabilisiert, in der das textile Halbzeug im Profil vorliegen soll.
Sollen sowohl Rovings als auch textile Halbzeuge in einem Profil gemeinsam verarbeitet werden, so kann es sinnvoll sein, Faserführungselemente in Form von Durchgangslöchern zur Führung der Rovings mit schlitzförmigen Faserführungselementen zur Führung der textilen Halbzeuge zu kombinieren. 3D zeigt eine entsprechende beispielhafte Ausgestaltung einer Faserführungsvorrichtung 30 mit einer Kombination aus schlitzförmigen Faserführungselementen 310 und 312 und einer Vielzahl von Durchgangslöchern 300, 301, 302, .... zur Gestaltung einer U-profilförmigen Führungsstruktur 32.
3D zeigt weiterhin beispielhaft, dass die Faserführungsvorrichtung 30 auch modular aufgebaut sein kann. So kann z.B. durch Auswechseln einzelner Blendenmodule 34, 35, 36 die Faserführungsvorrichtung 30 schnell an wechselnde Profilquerschnitte oder Verstärkungsanforderungen angepasst werden.
Weiterhin ist es denkbar, die Faserführungsvorrichtung kammartig auszubilden, wie in 2E gezeigt. Dazu sind am Blendenabschnitt 31 beispielsweise eine Vielzahl von parallelen und stiftförmigen Faserführungselementen 320, 322, 324, vorgesehen, zwischen denen Faserrovings angeordnet und geführt werden können.
Die Faserführungsvorrichtung kann auch zwei oder mehr Blendenabschnitte mit Faserführungselementen aufweisen, die hintereinander angeordnet sind. Zur Stabilisierung der Fasern während der Injektion kann es besonders vorteilhaft sein, einen Blendenabschnitt vor der Injektionsöffnung 15 und einen Blendenabschnitt nach der Injektionsöffnung 15 vorzusehen. So sind die Fasern beidseitig der Injektionsöffnung abgestützt und geführt.
4 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer Faserführungsvorrichtung 30A mit zwei Blendenabschnitten 31A und 31B. Die Faserführungsvorrichtung 30A ist als Hohlkörper 36 in der Form einer Box ausgebildet. Der erste Blendenabschnitt 31A bildet mit dem zweiten Blendenabschnitt 31B zwei einander gegenüberliegende Seitenflächen des Hohlkörpers. Die Blendenabschnitte 31A und 31B sind jeweils mit Faserführungselementen 300, 301, ...304, 305, ...in Form von Durchgangslöchern ausgebildet, siehe auch die Schnittansicht A-A von 4.
Die Fasern werden von dem ersten Blendenabschnitt 31A durch die Durchgangslöcher in die Box eingeführt und auf der gegenüberliegenden Seite im zweiten Blendenabschnitt 31B durch dort vorhandene Durchgangslöcher hinausgeführt. Hierbei korrespondieren die einander gegenüberliegenden Faserführungselemente bzw. Durchgangsöffnungen 300 und 304 bzw. 301 und 305 im ersten und zweiten Blendenabschnitt miteinander, so dass die Fasern sowohl beim Eintritt als auch beim Austritt aus der Box geführt werden. Korrespondierende Durchgangsöffnungen können insbesondere in Durchzugssrichtung D fluchtend angeordnet sein.
Der Hohlkörper 37 weist einen Injektionsöffnung 38 auf, über den das Matrixmaterial in die Box bzw. in den Hohlraum 39 injiziert werden kann. Die Injektionsöffnung 38 kann beispielsweise mit einer Injektionsöffnung 15 des Pultrusionswerkzeugs verbunden sein. Eine solche Box kann beispielsweise sehr preisgünstig aus Kunststoff hergestellt werden und nach erfolgter Profilherstellung entsorgt werden. Hierdurch wird der Reinigungsaufwand im Pultrusionswerkzeug verringert.
Von einem Faserführungselement 300, 301, ..., 310, ...können einzelne oder mehrere Rovings geführt werden oder auch ein oder mehrere textile Halbzeuge. Ebenso kann es möglich sein, mit einem Faserführungselement sowohl Roving als auch textiles Halbzeug zu führen.
Mit den gezeigten Faserführungsvorrichtungen 30, 30A im Pultrusionswerkzeug 1A lassen sich faserverstärkte Profilbauteile herstellen, die eine verbesserte und insbesondere homogene Faserverteilung aufweisen, wodurch wiederum homogene Eigenschaften des fertigen Bauteils erzielt werden. Die Anlagentechnik kann einfacher und kostengünstiger gestaltet werden, da eine kompakte Faserpaketbildung verhindert werden kann und somit geringere Injektionsdrücke für eine zuverlässige Tränkung der Fasern ausreichend sind. Die Imprägnierqualität lässt sich insgesamt steigern, insbesondere bei Faserverstärkungen, die als kompaktes Paket im Bauteil vorliegen.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Insbesondere kann die in 4 gezeigte Faserführungsvorrichtung in Form einer Box auch die in den 3A bis 3E gezeigten Faserführungsstrukturen und -elemente aufweisen. Es versteht sich, dass die Anordnung und Anzahl der gezeigten Faserführungselemente rein beispielhaft und nicht beschränkend ist.
Bezugszeichenliste

1, 1A: Pultrusionswerkzeug
10: Werkzeugoberteil
11: Werkzeugunterteil
12: Kavität
14: Injektionsabschnitt
15: Injektionspunkte
16: Profilformungsabschnitt
20, 22, 24: Verstärkungsfasern
30, 30A: Faserführungsvorrichtung
31, 31A, 31B: Blendenabschnitt
32: Faserführungsstruktur
34, 35, 36: Blendenmodul
300, 301, 302, ...310, ...320, ...: Faserführungselemente
D: Durchzugsrichtung der Fasern

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017203884 [0007, 0034]

Claims

Pultrusionswerkzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Profilbauteils, wobei das Profilbauteil zumindest Verstärkungsfasern und einen Matrixwerkstoff umfasst, wobei das Pultrusionswerkzeug (1A) eine Kavität (12) umschließt, welche einen Injektionsabschnitt (14) mit mindestens einer Injektionsöffnung (15) zur Infiltration der Verstärkungsfasern mit einem injizierten Matrixwerkstoff und einen daran anschließenden Profilformungsabschnitt (16) zur Formgebung des Profils des Profilbauteils aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Injektionsabschnitt (14) oder benachbart dazu eine Faserführungsvorrichtung (30) in der Kavität (12) angeordnet ist mit wenigstens einer Faserführungsstruktur (32), welche mindestens ein Faserführungselement (300, 301, ...) umfasst, zur Führung und Stabilisierung der räumlichen Anordnung von Verstärkungsfasern.
Pultrusionswerkzeug nach Patentanspruch 1, bei dem die Faserführungsvorrichtung mindestens einen Blendenabschnitt (31) aufweist, der im Querschnitt der Kavität (12) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Faserführungselement (300, 301, 302, ...) durch eine im Blendenabschnitt (31) ausgebildeten Durchgangsöffnung gebildet wird.
Pultrusionswerkzeug nach Patentanspruch 1, bei dem die Faserführungsstruktur (32) mehrere Faserführungselemente (310, 312, 314) umfasst und zumindest abschnittsweise kammartig ausgebildet ist.
Pultrusionswerkzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Verstärkungsfasern in Fasergruppen (20, 22, 24) in Form von Rovings und/ oder textilen Halbzeugen zugeführt werden und die Faserführungsvorrichtung (30) für wenigstens eine der Fasergruppen ein zugeordnetes Faserführungselement aufweist.
Pultrusionswerkzeug nach Patentanspruch 4, bei dem die Faserführungsvorrichtung (30) für jede der Fasergruppen (20, 22, 24) ein zugeordnetes Faserführungselement aufweist.
Pultrusionswerkzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dem die Verstärkungsfasern in Fasergruppen (20, 22, 24) in Form von Rovings und/ oder textilen Halbzeugen zugeführt werden und bei dem die Faserführungsvorrichtung (30) für zumindest zwei der Fasergruppen ein gemeinsames Faserführungselement aufweist.
Pultrusionswerkzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Form der Faserführungsstruktur (32) an einen Querschnitt des Profilbauteils angepasst ist.
Pultrusionswerkzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Faserführungsvorrichtung (30A) einen ersten Blendenabschnitt (31A) beinhaltet, der vor der wenigstens einen Injektionsöffnung (15) angeordnet ist, und einen zweiten Blendenabschnitt (31B) beinhaltet, der nach der wenigstens einen Injektionsöffnung (15) angeordnet ist, wobei sowohl der erste als auch der zweite Blendenabschnitt jeweils mindestens ein Faserführungselement (300,...) aufweist.
Pultrusionswerkzeug nach Patentanspruch 8, bei dem die Faserführungsvorrichtung (30A) als Hohlkörper (37) ausgebildet ist, wobei der erste Blendenabschnitt (31A) eine erste Seitenwand des Hohlkörpers bildet und der zweite Blendenabschnitt (31B) eine, der ersten Seitenwand gegenüberliegende, zweite Seitenwand des Hohlkörpers bildet, und der Hohlkörper (37) mindestens eine Injektionsöffnung (38) aufweist zur Injektion des Matrixwerkstoffs in den zwischen den Seitenwänden gelegenen Zwischenraum.
Pultrusionswerkzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Blendenabschnitt (31) und/oder die Faserführungselemente (300, ...) eine faserschonende Oberfläche und/oder Geometrie aufweisen.
Pultrusionswerkzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Faserführungsvorrichtung (30) modular ausgebildet ist.
Pultrusionswerkzeug nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Faserführungsvorrichtung (30) reversibel am Pultrusionswerkzeug (1A) befestigt ist.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Profilbauteils mit einem Pultrusionswerkzeug (1A) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Anordnen von Verstärkungsfasern (20, 22, 24) im Pultrusionswerkzeug (1A) einer Pultrusionsvorrichtung, b) Stabilisieren der räumlichen Anordnung der Verstärkungsfasern (20, 22, 24) im Injektionsabschnitt (14) durch die Faserführungsvorrichtung (30, 30A), c) Abziehen der Verstärkungsfasern (20, 22, 24) aus dem Profilformungsabschnitt (16), d) Injizieren eines Matrixwerkstoffs zu den Verstärkungsfasern (20, 22, 24) in dem Injektionsabschnitt.