DE102017219715A1 - Process for producing a fiber-reinforced plastic profile and a fiber-reinforced plastic profile - Google Patents
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- B29C70/28—Shaping operations therefor
- B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
- B29C70/50—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of indefinite length, e.g. prepregs, sheet moulding compounds [SMC] or cross moulding compounds [XMC]
- B29C70/52—Pultrusion, i.e. forming and compressing by continuously pulling through a die
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffprofils (3B), bei dem Verstärkungsfasern durch ein Pultrusionswerkzeug (4) gezogen und in diesem mit einem thermoplastischen Matrixmaterial zu einem faserverstärkten Kunststoffprofil kompaktiert und konsolidiert werden. Erfindungsgemäß werden die Verstärkungsfasern dem Pultrusionswerkzeug (4) in Form von Hybridfasergarn (3, 3A) zugeführt, welches neben den Verstärkungsfasern thermoplastische Matrixfasern beinhaltet. Weiterhin wird ein mit dem Verfahren hergestelltes faserverstärktes Kunststoffprofil angegeben. The invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic profile (3B), wherein the reinforcing fibers are pulled through a pultrusion tool (4) and compacted therein with a thermoplastic matrix material to a fiber-reinforced plastic profile and consolidated. According to the invention, the reinforcing fibers are fed to the pultrusion die (4) in the form of hybrid fiber yarn (3, 3A), which comprises thermoplastic matrix fibers in addition to the reinforcing fibers. Furthermore, a fiber-reinforced plastic profile produced by the method is specified.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffprofils sowie ein faserverstärktes Kunststoffprofil.The invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic profile and a fiber-reinforced plastic profile.
Zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen wird als kontinuierliches Verfahren die Pultrusion verwendet. Beim Pultrusionsverfahren wird eine Vielzahl von Verstärkungsfasern, die als Einzelfasern (einzelner Roving), Faserbündel (mehrere Rovings) oder auch als flächige Faserhalbzeuge vorliegen können, einem Pultrusionswerkzeug zugeführt. Die Fasern werden mit einem Matrixwerkstoff getränkt und als konsolidiertes Faser-Kunststoffprofil durch Abzugsvorrichtungen aus dem Pultrusionswerkzeug abgezogen.To produce fiber-reinforced plastic profiles, pultrusion is used as a continuous process. In the pultrusion process, a multiplicity of reinforcing fibers, which can be present as individual fibers (individual rovings), fiber bundles (multiple rovings) or else as flat semi-finished fiber products, are fed to a pultrusion tool. The fibers are impregnated with a matrix material and withdrawn as a consolidated fiber-plastic profile by means of extraction devices from the pultrusion tool.
Das Pultrusionswerkzeug umschließt eine Kavität, durch welche die Fasern hindurchgezogen werden. In Durchzugsrichtung verjüngt sich der Querschnitt der Kavität, wodurch die durchgezogenen Fasern und der Matrixwerkstoff 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.The pultrusion tool encloses a cavity through which the fibers are pulled. In the pulling direction, the cross section of the cavity tapers, whereby the solid fibers and the matrix material are compacted in cross section and brought to the profile shape to be produced. In the pultrusion tool, consolidation of the matrix material, e.g. by a temperature of the pultrusion tool, so that at the output of the finished fiber-reinforced plastic profile is present and can be removed.
Die Zugabe des Matrixwerkstoff kann z.B. in einem Tauchverfahren erfolgen, wozu die Fasern durch ein Bad oder eine Wanne mit flüssigem Matrixwerkstoff geführt werden. Um eine Durchtränkung aller Fasern zu gewährleisten, müssen diese aufgefächert werden, was einen zusätzlichen Prozesschritt erfordert. Alternativ kann der Matrixwerkstoff auch im Injektionsverfahren zugegeben werden. Hierbei wird der Matrixwerkstoff durch eine oder mehrere Injektionsöffnungen quer zur Durchzugsrichtung der Fasern in die Kavität des Pultrusionswerkzeugs eingespritzt. Aufgrund der Viskosität des Matrixwerkstoffs kann es dazu kommen, dass der Matrixwerkstoff die Fasern nur unzureichend benetzt, insbesondere bei Vollprofilen ist im Inneren des durch das Pultrusionswerkzeugs gezogenen Faserstrangs eine ausreichende Benetzung nicht immer gewährleistet.The addition of the matrix material may e.g. carried out in a dipping process, for which the fibers are passed through a bath or a tub with liquid matrix material. In order to ensure a penetration of all fibers, they must be fanned out, which requires an additional process step. Alternatively, the matrix material can also be added by injection. In this case, the matrix material is injected through one or more injection openings transversely to the direction of passage of the fibers into the cavity of the pultrusion tool. Due to the viscosity of the matrix material, it may happen that the matrix material wets the fibers only insufficient, especially in solid sections, sufficient wetting is not always guaranteed inside the fiber strand drawn by the pultrusion tool.
In der Fahrzeugindustrie hat sich die Verwendung von faserverstärkten Profilen mit duroplastischer Matrix etabiliert. Nun werden verstärkt auch thermoplastische Matrixwerkstoffe in Betracht gezogen aufgrund der (bedingten) Umformbarkeit faserverstärkter thermoplastischer Bauteile nach deren Herstellung. Jedoch führt insbesondere die im Vergleich zu duromeren Werkstoffen geringere Viskosität thermoplastischer Matrixsysteme zu Problemen durch eine unzureichende Faserimprägnierung. Gelangt die thermoplastische Matrix nicht prozesssicher zwischen die Fasern, so führt dies zu reduzierten Bauteileigenschaften bis hin zur Unbrauchbarkeit der Bauteile.In the automotive industry, the use of fiber-reinforced profiles with duroplastic matrix has become established. Now also thermoplastic matrix materials are increasingly considered due to the (conditional) formability of fiber-reinforced thermoplastic components after their production. However, in particular the lower viscosity of thermoplastic matrix systems compared to thermosetting materials leads to problems due to insufficient fiber impregnation. If the thermoplastic matrix does not arrive between the fibers in a process-reliable manner, this leads to reduced component properties up to the unusability of the components.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffprofile mit thermoplastischer Matrix anzugeben, welche prozesssicher und kostengünstig realisierbar ist. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffprofils angegeben werden, mit dem eine optimale Benetzung aller Fasern, auch und gerade im Inneren eines Vollprofils, erzielt werden kann.Against this background, it is the object of the invention to provide a possibility for producing fiber-reinforced plastic profiles with a thermoplastic matrix, which can be realized in a process-reliable and cost-effective manner. In particular, a method for producing a fiber-reinforced plastic profile is to be specified, with the optimum wetting of all fibers, even and just inside a solid profile, can be achieved.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ein mit dem Verfahren hergestelltes Kunststoffprofil gemäß Anspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.The object is achieved by a method according to
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffprofils angegeben, bei dem Verstärkungsfasern durch ein Pultrusionswerkzeug gezogen und in diesem mit einem thermoplastischen Matrixmaterial zu einem faserverstärkten Kunststoffprofil kompaktiert und konsolidiert werden.The invention relates to a process for the production of a fiber-reinforced plastic profile in which reinforcing fibers are pulled through a pultrusion tool and compacted therein with a thermoplastic matrix material to form a fiber-reinforced plastic profile and consolidated.
Erfindungsgemäß werden die Verstärkungsfasern dem Pultrusionswerkzeug in Form von Hybridfasergarn zugeführt, welches neben den Verstärkungsfaser thermoplastische Matrixfasern beinhaltet.According to the invention, the reinforcing fibers are fed to the pultrusion tool in the form of hybrid fiber yarn, which contains thermoplastic matrix fibers in addition to the reinforcing fiber.
Hierbei liegt der Erfindung die Idee zu Grunde, im Pultrusionsprozess Garn zu verwenden, dem das thermoplastische Matrixmaterial bereits zugegeben ist. Somit liegt das Matrixmaterial bereits in unmittelbarer Nähe zu den Verstärkungsfasern vor, wenn das Garn in die Heizzone des Pultrusionswerkzeugs eingezogen und dort erhitzt wird. Die Matrixfasern schmelzen auf und imprägnieren die verbleibenden Verstärkungsfasern. Da der Matrixwerkstoff nicht erst zwischen die einzelnen Filamente des Strangs vordringen muss, verbessert sich die Faserbenetzung erheblich. Auch bei relativ hohen Faservolumengehalten erfolgt eine prozesssichere Benetzung aller Fasern mit Matrixwerkstoff. Die Verwendung der Hybridfasern ist einfach und kann in einer herkömmlichen Pultrusionsanlage ohne aufwendige zusätzliche Umbauten erfolgen.Here, the invention is based on the idea of using yarn in the pultrusion process to which the thermoplastic matrix material has already been added. Thus, the matrix material is already in close proximity to the reinforcing fibers when the yarn is drawn into the heating zone of the pultrusion die and heated there. The matrix fibers melt and impregnate the remaining reinforcing fibers. Since the matrix material does not first have to penetrate between the individual filaments of the strand, the fiber wetting improves considerably. Even with relatively high fiber volume contents, process-reliable wetting of all fibers with matrix material takes place. The use of hybrid fibers is simple and can be done in a conventional pultrusion without complicated additional conversions.
Da thermoplastische Fasern bei Lagerung zur Aufnahme von Wasser neigen, ist ggf. eine Trocknungsanlage vor das Pultrusionswerkzeug zu schalten, um einen definierten Feuchtigkeitsgehalt der thermoplastischen Matrixfasern bei der Konsolidierung sicherzustellen.Since thermoplastic fibers tend to absorb water during storage, it may be necessary to place a dryer in front of the pultrusion tool to ensure a defined moisture content of the thermoplastic matrix fibers during consolidation.
Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn in einer Ausgestaltung das Matrixmaterial ausschließlich in Form von Matrixfasern zugeführt wird. Mit anderen Worten kann in dem fertigen, am Ausgang des Pultrusionswerkzeugs abgezogenen Profil lediglich derjenige Matrixwerkstoff vorhanden sein, welcher in Form von Matrixfasern im Hybridgarn zugeführt wurde. In diesem Fall wird weder ein zusätzlicher Matrixwerkstoff in das Pultrusionswerkzeug injiziert, noch wird das Hybridgarn vor dem Einzug in das Pultrusionswerkzeug mit zusätzlichem Matrixmaterial benetzt. Diese Verfahrensführung erlaubt es bereits durch Auswahl der Zusammensetzung des Hybridfasergarns einen genau und prozesssicher einstellbaren Faservolumengehalt im fertigen Bauteil zu erreichen. Es wird nur die benötigte Menge an Matrixmaterial eingesetzt, was die Verfahrensführung materialsparend und kostengünstig macht.It may be particularly advantageous if in one embodiment the matrix material is fed exclusively in the form of matrix fibers. In other words, only the matrix material which was supplied in the form of matrix fibers in the hybrid yarn can be present in the finished profile drawn off at the exit of the pultrusion tool. In this case, neither an additional matrix material is injected into the pultrusion tool, nor is the hybrid yarn wetted with additional matrix material prior to insertion into the pultrusion tool. This method allows already by selecting the composition of the hybrid fiber yarn to achieve an accurately and reliably adjustable fiber volume content in the finished component. Only the required amount of matrix material is used, which makes the process management material-saving and cost-effective.
Zur Erzielung hoher Festigkeiten im fertigen Kunststoffprofil wird als Hybridfasergarn vorzugsweise ein Multifilamentgarn verwendet, bei dem die Verstärkungsfasern und Matrixfasern als Filamente (Endlosfasern) vorliegen.To achieve high strengths in the finished plastic profile, a multifilament yarn is preferably used as the hybrid fiber yarn, in which the reinforcing fibers and matrix fibers are present as filaments (continuous fibers).
Das Material der Verstärkungsfasern ist grundsätzlich nicht beschränkt. Als Verstärkungsfasern können Kohlenstofffasern, Glasfaser, Aramidfasern, Basaltfasern, Keramikfasern, Naturfasern, Metallfasern oder andere geeignete Fasern oder auch Mischformen verschiedener Fasern verwendet werden. Besonders bevorzugt werden jedoch Hybridgarne mit Kohlenstofffasern verwendet, wobei die Kohlenstofffasern insbesondere als Endlosfasern vorliegen.The material of the reinforcing fibers is not limited in principle. As reinforcing fibers, carbon fibers, glass fiber, aramid fibers, basalt fibers, ceramic fibers, natural fibers, metal fibers or other suitable fibers, or also mixed forms of various fibers may be used. However, hybrid yarns with carbon fibers are particularly preferably used, wherein the carbon fibers are present in particular as continuous fibers.
Als Matrixmaterial kommen alle geeigneten und zu Matrixfasern verarbeitbaren Thermoplaste in Frage, vorzugsweise Polyamide, wie z.B. PA6. Die Matrixfasern sind mit den Verstärkungsfasern zu dem Hybridfasergarn gebündelt, wobei das Verhältnis zwischen Matrixfasern und Verstärkungsfasern entsprechend den Anforderungen gewählt wird.Suitable matrix materials are all suitable thermoplastics that can be processed into matrix fibers, preferably polyamides, such as e.g. PA6. The matrix fibers are bundled with the reinforcing fibers to the hybrid fiber yarn, wherein the ratio between matrix fibers and reinforcing fibers is selected according to the requirements.
In einer Verfahrensführung kann es vorgesehen sein, dass mehrere Hybdridfasergarne zu einem gemeinsamen Garnstrang zusammengeführt werden, bevor sie in das Pultrusionswerkzeug eingezogen werden. Da sich das Matrixmaterial im Hybridfasergarn bereits neben den Verstärkungsfasern befindet, können auch Gamstränge mit großem Durchmesser verwendet werden. Insbesondere wird der Einsatz von kostengünstigen relativ „dicken“ Garnen möglich, wie z.B. heavy tows mit mehr als 24.000 Einzelfilamenten.In a process management, it may be provided that several Hybdridfasergarne be merged into a common strand of yarn before they are fed into the pultrusion tool. Since the matrix material in the hybrid fiber yarn is already adjacent to the reinforcing fibers, also Gamstränge can be used with a large diameter. In particular, the use of inexpensive relatively "thick" yarns becomes possible, such as e.g. heavy tows with more than 24,000 individual filaments.
Das Verfahren erzielt besondere Vorteile, wenn das herzustellende Kunststoffprofil ein Vollprofil ist, insbesondere mit einem runden, ovalen oder vier- bzw. mehreckigen Querschnitt. Im Gegensatz zu Hohlprofilen muss das Matrixmaterial bei Vollprofilen eine sehr viel größere Strecke zurücklegen bis auch die Fasern im Profilinneren imprägniert sind. Daher kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens umso mehr zum Tragen, je dicker die Wandungsstärke des Profils ist. Mit dem Verfahren wird es insbesondere möglich, auch derartige Profilformen in nur einem Verfahrensschritt herzustellen, die bislang mehrere Einzelschritte erforderten, wie z.B. das Herstellen mehrerer Stäbe mit geringem Durchmesser, anschließendes Bündeln der Stäbe und Verpressen des Bündels zu einem Stab großen Durchmessers.The method achieves particular advantages when the plastic profile to be produced is a solid profile, in particular with a round, oval or quadrangular or polygonal cross section. In contrast to hollow profiles, the matrix material has to cover a much greater distance in the case of solid sections until the fibers in the profile interior are also impregnated. Therefore, the advantages of the method according to the invention become more apparent the thicker the wall thickness of the profile. The method makes it possible, in particular, to also produce such profile shapes in just one process step, which hitherto required several individual steps, such as, for example, making several rods of small diameter, then bundling the rods and pressing the bundle into a large diameter rod.
Ein mit dem voranstehenden Verfahren ausgebildetes faserverstärktes Kunststoffprofil zeichnet sich durch einen präzise einstellbaren Faservolumengehalt und eine optimale Faser-Matrixanbindung aus.A fiber-reinforced plastic profile formed by the above method is characterized by a precisely adjustable fiber volume content and an optimal fiber-matrix connection.
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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, embodiments of the invention are described in detail. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs.
-
1 a schematic representation of the procedure.
Auf einem Gatter
Da die thermoplastischen Matrixfasern zur Wasseraufnahme aus der Luftfeuchtigkeit neigen, ist dem Pultrusionswerkzeug eine Trocknungsvorrichtung
Abgesehen von dem Matrixwerkstoff, welcher in Form der Matrixfasern im Hybridgarn
Mit dem beschriebenen Verfahren ist eine optimale Benetzung der Verstärkungsfasern gewährleistet, da das Matrixmaterial bereits zu Beginn des Verfahrens unmittelbar an den Verstärkungsfasern vorliegt. Weiterhin lässt sich der Faservolumengehalt im fertigen Kunststoffprofil, durch die Auswahl von Hybridgarnen
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.The embodiments are not to scale and are not restrictive. Modifications in the context of expert action are possible.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Gattergate
- 22
- SpuleKitchen sink
- 33
- HybidgarnHybidgarn
- 3A3A
- Garnstranghank
- 3B3B
- faserverstärktes Kunststoffprofilfiber-reinforced plastic profile
- 44
- Pultrusionswerkzeugpultrusion
- 4A4A
- Heizzoneheating zone
- 4B4B
- Kühlzonecooling zone
- 55
- Abzugsvorrichtungoff device
- 66
- Ablängeinheitcutting unit
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102017219715.3A DE102017219715A1 (en) | 2017-11-07 | 2017-11-07 | Process for producing a fiber-reinforced plastic profile and a fiber-reinforced plastic profile |
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Citations (2)
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WO2004080698A1 (en) * | 2003-03-06 | 2004-09-23 | Ticona Celstran, Inc. | Method of making long fiber-reinforced thermoplastic composites utilizing hybrid or commingled yarn |
DE102011018419A1 (en) * | 2011-04-21 | 2012-10-25 | Daimler Ag | Method for manufacturing fiberglass reinforced plastic hollow profile for reinforced thermoplastic pipe, involves passing hollow profile braid through temperature control devices in consolidation tool |
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