-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gestaltung von Formen zur Herstellung von Kunststoffprofilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Des Weiteren Betrifft die Erfindung die Steuerung dieser Formen gemäß dem Anspruch .....
-
Es ist bekannt, dass prismatische Kunststoffprofile, d.h. Kunststoffprofile mit einem entlang der Achse konstanten Querschnitt, durchgehend in einem Strang hergestellt werden. Sofern solche Profile eine durchgehende Verstärkung aus Fasern, Gelegen oder Geweben besitzen, geschieht die Herstellung typischerweise im Pultrusions- oder bei gekrümmten Profilen im sogenannten „Radius-Pultrusions“-Verfahren. Bei diesen Verfahren wird mindestens ein Faserstrang durch eine massive, typischerweise beheizte, Stahlform mit einer Länge von typisch bis zu 1,5 m Länge, hindurchgeführt. Dieser Strang wird entweder vor der Form oder in einer mit der Form verbundenen Injektionseinheit in die Kunststoffmatrix eingebettet bzw. mit dem flüssigen Kunststoff getränkt, der dann in der Form zum fertigen Profil aushärtet. Das so entstehende Profil wird je nach Art der Anlage entweder durch Greifer, Raupenabzüge oder andere Haltevorrichtungen aus der Form gezogen und abgefördert.
-
Eine typische Eigenschaft dieses Verfahrens sind die im Vergleich zu Herstellungsverfahren für unverstärkte Kunststoffprofile extrem hohen Zugkräfte, die für das Abfördern des Profils erforderlich sind. Sie liegen je nach Profilgröße im Bereich von 5 - 100 to, und damit oft im Bereich der maximalen Zugkraft der gefertigten Profile. Die Höhe der Zugkräfte und die sie verursachenden Mechanismen bedingen sowohl einen hohen maschinellen Aufwand als auch eine im Vergleich zu anderen Prozessen der Kunststoffverarbeitung hohe Sensibilität des Prozesses und der Prozessqualität.
-
Die wesentliche Ursache für die Entstehung hoher Zugkräfte bei der Pultrusion ist die gegenüber dem Formmaterial deutlich höhere Wärmedehnung des in der Form polymerisierenden Composites, beginnend im Bereich der Gelzone. Durch diese Differenz kommt es zur Ausbildung von extrem hohen Druckspannungen zwischen dem Composite und der Form. Dies bedeutet, dass es zu einer Art „Presspassung“ des geförderten Materials in der Form kommt. Dies verstärkt zusätzlich die Adhäsionskräfte des polymerisierenden Composites ist damit die Hauptursache für die beschriebenen hohen Zugkräfte im Pultrusionsprozess. Bei Hohlprofilen verstärkt der chemische Schrumpf des Materials auf den starren Kern im weiteren Verlauf der Polymerisation die erforderlichen Kräfte zusätzlich, so dass es teilweise sogar zum Abreißen der Kerne kommt. Diese Effekte sind die Ursache für praktisch alle Prozessprobleme der Pultrusion, wie eine oft schlechte Oberflächenqualität, die begrenzte Lebensdauer der Formen und die allgemein hohe Sensibilität Änderungen der chemischen und thermischen Parameter. Hinzu kommt, dass diese, meist im Bereich mehrerer Tonnen liegender Kräfte prozessbedingt nur über die äußeren Lagen des Profils aufgebracht werden. Dadurch ist häufig eine hohe Schubspannung innerhalb der gefertigten Profile quasi „eingefroren“, die eine Verringerung der Belastbarkeit der Profile und eine geringere Temperaturstabilität zur Folge hat.
-
Idealerweise würde also die Gestalt der Form an die Eigenschaften des entstehenden Composites, insbesondere ihre Dimension entlang der Achse, angepasst sein. Dies kann aber nicht in einem statischen Formdesign berücksichtigt werden, da sich die Gelzone beim Prozessbeginn, im laufenden Prozess und bei Start/Stopp-Vorgängen verschiebt und stark von den Eigenschaften der typischerweise im Batch-Verfahren hergestellten Rohstoffe abhängt. Alleine ein Wechsel eines der Vormaterialien kann also schon zu einer Verschiebung der Gelzone oder einer Veränderung des Schrumpfverhaltens und der Wärmedehnung führen.
-
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Gestaltungverfahren bzw. eine Gestaltungsmethodik des Formmaterials und der gesamten Form gelöst, durch das eine Anpassung der Form an die Prozesseigenschaften möglich wird und so die Ziehkräfte minimiert werden.
-
Dazu wird das Material der Form als ein Zwei- oder Mehrkomponenten-Material oder ein Flüssig/Fest-Composite aus einem für die Formoberfläche geeigneten Material (z.B. Stahl) mit einem meist geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einem zweiten Zusatzmaterial mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufgebaut, der nicht mit dem aushärtenden Material in Berührung kommt. Diese zweite Phase kann relativ weich sein. Wesentlich ist, dass ihre Wärmeausdehnung so hoch ist, dass die thermische Gesamtdehnung des Composite-Material ungefähr der Wärmedehnung des aushärtenden Composites entspricht.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können entlang der Formachse auch mehr als ein Zusatzmaterial eingesetzt werden, um die Anpassung an den Prozessverlauf des aushärtenden Materials noch zu verbessern.
-
In einem weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die weichere Phase sehr elastisch oder sogar flüssig. In dieser Ausführung können dies Hohlräume ganz oder teilweise untereinander verbunden werden, und die Dehnung zusätzlich durch einen äußeren Druck gesteuert und damit auch dynamisch dem Prozess angepasst werden. Die Gestalt und Anordnung der Hohlräume entlang der Form wird dabei so gewählt, dass über die Wärmedehnung der weichen Phase oder über den Druckaufbau des Fluids im inneren die gewünschte Verformung des Materials erreicht wird. Dabei können natürlich auch beide Wirkmechanismen kombiniert werden.
-
Bei dem Fluid in diesem kann es sich aufgrund der typisch hohen Temperaturen auch um ein metallisches Eutektikum handeln, dass im Betrieb der Form flüssig ist. Der Vorteil in dieser Ausführung liegt in der weiterhin hohen Wärmeleitung des Formmaterials, die je nach Prozess wichtig für eine gute Regelbarkeit des Prozesses ist.
-
Eine weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens verwendet zum Erzielen der Formänderung nicht ein mit einem Druck beaufschlagtes Fluid, sondern ein Material, bei dem die Formänderung durch Fluidabsorption stattfindet. Hier wird neben der Temperatur über die Zu- oder Abführung des Fluids die Dehnung modifiziert.
-
Mit solchen, nach dem beschriebenen Verfahren gestalteten Formen kann der Durchmesser der Form oder die Fläche des Formquerschnitts an die thermische Ausdehnung des aushärtenden Composites angepasst werden und beschriebenen hohen Drücke durch unterschiedliche Wärmedehnungen von Form- Bauteilmaterial minimiert werden.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann, anstelle einer Erweiterung des Querschnitts bzw. Vergrößerung der Fläche der Kavität entlang der Form, durch die Gestaltung der Hohlräume auch der Eintrittsbereich soweit verengt werden, dass es im weiteren Verlauf des Prozesses in keinem weiter hinten liegenden Abschnitt der Form zu dem beschriebenen hohen Druckaufbau kommt.
-
Die erfindungsgemäß erzielten geringeren Drücke in der Form führen nicht nur aufgrund der Gestalteffekte zu geringeren Zugkräften, sondern auch zu einer Verlängerung der Standzeit von Formbeschichtungen, die zur Verringerung der Adhäsionskräfte aufgebracht werden. Dies verringert einerseits weiter die Zugkräfte und erhöht andererseits weiter die Prozessstabilität.
-
Es ist durch die Anordnung und Gestalt der Hohlräume möglich, auch die Richtung der Formänderung zu bestimmen.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird das Material darum nicht so aufgebaut, dass die Formänderung nicht quasi-isotrop erfolgt, sondern dass insbesondere der Kern in Teilbereichen dünner und länger wird, also eine gerichtete Verzerrung des Materials erfolgt. Auch diese Veränderung der Gestalt der Form verringert sowohl die durch Materialdehnung als auch zusätzlich die durch den Materialschrumpf des Composites gegen Ende des Prozesses entstehende Reibung. Dazu können zusätzlich auch ungefüllte Bereiche oder wiederum innerhalb des Materials bewegliche Bereich in das Material eingebracht werden.
-
Da es aus der Sicht des Pultrusionsprozesses bei der Fertigung von Hohlprofilen meist unerheblich ist, ob die Veränderung der Querschnittsfläche der Kavität durch eine Veränderung der äußeren Form oder des Kerns realisiert wird, kann dieses Ausführungsbeispiel in vielen Fällen für Hohlprofile hinreichend sein. Indem nur über die Hohlraumgestaltung der Formkerne und deren Füllung eine elastische Anpassung an das schrumpfende Profil realisiert wird, wird auf diese Weise sowohl die Wirkung des chemischen Schrumpfes als auch die erhöhte Ausdehnung im Bereich der Gelzone kompensiert. In diesem Fall ist es einfach möglich, die äußere Form weiterhin als massive Stahlform auszuführen, was insbesondere für zerlegbare Formen einen Vorteil darstellen kann.
-
Wird das beschriebene Verfahren der Formgestaltung auf den äußeren Formkörper angewandt, in bei der Gestaltung auch die Zerlegbarkeit zu berücksichtigen. Diese muss in der Regel gegeben sein, um entweder eine Reinigung und Wartung der Formen durchführen zu können oder um die inneren Oberflächen bearbeiten zu können. Für die Kerne, die nur von außen gereinigt oder beschichtet werden müssen, ist dies nicht erforderlich, für den äußeren Formkörper ist dies hingegen in den meisten Fällen meist notwendig.
-
Dazu werden in einem weiteren Ausführungsbeispiel die in Zugrichtung liegenden Trennfugen, die bisher meist einfach als flache Dichtfugen ausgebildet sind, derart ausgebildet werden, dass eine saubere Übertragung der Verformung zwischen den Teilen der Form stattfindet. Dazu können diese beispielsweise als Nut-Feder Verbindungen ausgebildet werden, die je nach Ausbildung der Form bei einer fluidgenerierten Verformung auch gemeinsame Hohlräume bilden können, die sich durch den Innendruck selber dichten.
-
Ebenso müssen die Verbindungselemente oder die Bereiche, in denen die Fügekräfte aufgebracht werden, so ausgelegt werden, dass sie die gewünschten Verformungen ermöglichen bzw. ihnen folgen, so dass es zu einer homogenen Verformung ohne die Entstehung von Trennfugen oder Verzerrung des Querschnittes kommt. Die Verbindungselemente selber müssen also auch zusammen mit dem Material des Formkörpers gestaltet werden.
-
In Sonderfällen kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Verlagerung der Trennfugen in Bereiche, in denen die Form sich nicht notwendigerweise verformen muss, vorgenommen werden. In diesem Fall wird nur der außerhalb der Formtrennung liegende Bereich als Zweiphasen-Material ausgebildet. Diese Variante ist sehr abhängig vom Profildesign und nur in Ausnahmefällen möglich.
-
Die Fertigung der nach diesem Verfahren gestalteten Formen erfolgt typischerweise in einem 3-D-Druckverfahren, z.B. dem selektiven Lasersintern oder einem FDM-Verfahren. Diese Verfahren bieten die notwendige Freiheit in der Gestaltung der Hohlräume, die mit herkömmlichen subtraktiven bzw. spanenden Verfahren nicht gegeben sind. Nachgelagert ist anschließend eine subtraktive Bearbeitung der Oberfläche erforderlich, um die nötige Qualität der Formoberflächen und Dichtflächen zu erreichen.
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
-
In diesen zeigen:
- : Schematischer Längsschnitt einer Form für die Herstellung eines Rechteckprofils, in der die Anpassung an den Prozess über 3 verschiedene Zusatzmaterialen im Mehrphasenmaterial der Form entlang der Formachse erzielt wird.
- : Schematischer Querschnitt derselben Form
- : Schematischer Längsschnitt einer Form für die Herstellung eines Rechteckprofils, in der die Anpassung an den Prozess über ein einheitliches Material in der Zusatzphase erfolgt. Hier ist ein Beispiel für eine feinere Verteilung der zweiten Phase dargestellt.
- : Schematischer Querschnitt derselben Form
- : Schematischer Längsschnitt einer Form für die Herstellung eines Rechteckprofils, in der die Anpassung an den Prozess über ein einheitliches Material, in diesem Fall ein Fluid, in der Zusatzphase erfolgt.
- : Schematischer Querschnitt derselben Form
- : Schematischer Längsschnitt einer Form für die Herstellung eines runden Hohlprofils, in der die Anpassung an den Prozess über eine Formänderung des Kerns erfolgt.
- : Schematischer Querschnitt derselben Form
- : Schematischer Längsschnitt einer Form für die Herstellung eines Rechteckprofils, in der die Anpassung an den Prozess über ein einheitliches Material in der Zusatzphase erfolgt. In diesem Längsschnitt ist ein Beispiel für die Gestaltung einer Formtrennung dargestellt.
- : Schematischer Querschnitt derselben Form im Bereich der Montageschrauben bzw. -elemente.
- : Schematischer Querschnitt derselben Form im Bereich außerhalb der Montageelemente mit dargestelltem Verlauf der Trennfuge entsprechend den beschriebenen Ausführungsbeispielen.
- : Vergrößerte Darstellung des Verlaufes der Trennfuge in derselben Form.
-
Die Abbildungen zeigen stark schematisiert Formen, die entsprechend den verschiedenen Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens konstruiert und ausgelegt sind.
-
In der sind in des Formgrundmaterial 1, das auch die Formwandung bildet, 3 weitere Materialien mit unterschiedlichen Wärmedehnungen eingebracht. Der Charakteristik eines typischen Pultrusionsprozesses mit beispielsweise einem aushärtenden Duromer in Pfeilrichtung folgend, würden dies im Formeintritt zunächst ein Material mit relativ geringer oder sogar niedrigerer Wärmedehnung sein (5) gefolgt von einem Material hoher Wärmedehnung im Bereich de Gelzone (4) und einem Material mittlerer, aber etwas erhöhter Wärmedehnung am Formaustritt (3)
-
In der ist schematisch gezeigt, dass das Zusatzmaterial in voneinander getrennten Streifen entlang der Achse der Form angeordnet ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass es zu einer homogenen Dehnung des Formmaterials ohne Verzerrung des Querschnitts kommt.
-
In den und wird das Prinzip einer möglichst homogenen Verteilung des Zusatzmaterials, diesmal mit einem einheitlichen Zusatzmaterial (6), in einer weiteren Verfeinerung dargestellt. In allen beschriebenen Ausführungen der Erfindung muss dies geeignete Verteilung der verschiedenen Phasen abhängig von der Gestalt des Profils und den zu erwartenden Prozesstemperaturen im Entwurf mit numerischen Verfahren (FEM) geprüft und verifiziert werden.
-
In den und wird schematisch die erfindungsgemäße Ausführung einer Form mit einer aktiven Regelung der Gestalt entlang der Längsachse dargestellt. Die bereits in /b dargestellten Streifen des hier fluidischen Zusatzmaterials (7) sind in 3 Abschnitten quer zu Längsachse der Form über kleine Bohrungen (8) miteinander verbunden. Über die 3 Anschlüsse (9, 9.2, 9.3) kann nun durch einen Steuerung des Drucks des fluidischen Zusatzmaterials die Formgestalt verändert werden. In dieser Ausführung ist eine Verengung des Eintrittes der Form nicht möglich, die Aufweitung kann aber bei der dargestellten Variante, wie vorher beschrieben, genau dem Prozessverlauf angepasst werden. Der Vorteil dieser Ausführung liegt vor allem in der Möglichkeit, aktiv auf veränderte Prozessbedingungen wie z.B. eine Verlagerung der Gelzone durch einen veränderten Härtungsprozess zu reagieren.
-
In den und wird schematisch die erfindungsgemäße Ausführung gezeigt, bei der lediglich der Kern derart aus mehreren Materialien aufgebaut ist, dass er sich im Bereich des Formeintritt ausdehnen und im Bereich des Formendes verjüngen kann. Das Material der Form (1) ist in diesem Fall homogen. Im Kernmaterial sind zwei Zusatzmaterialien eingebracht (13, 14) die sich in zwei getrennten Hohlräumen befinden. Diese können über die Zugänge 15 und 16 mit Druck beaufschlagt werden. Das Zusatzmaterial bzw. Fluid (13) ist in Form eines Ringkanals eingebracht. Eine Druckerhöhung hat in diesem Fall eine Vergrößerung des Durchmessers des Kerns und damit eine Verkleinerung des Eintrittsquerschnittes der Form zur Folge. Damit kann die in den Prozess eintretende Materialmenge so eingestellt werden, dass eine zu große Druckerhöhung im Bereich der Gelzone vermieden wird. Das Zusatzmaterial bzw. Fluid (14) ist dagegen in einem Zentralkanal angeordnet, der sich zu einem zylinderförmigen Raum (12) erweitert. Der Druck in diesem Raum wirkt auf einen Zylinder (11), der sich frei in einem leeren Ringkanal (17) bewegt und auf die Spitze des Kerns wirkt. Eine Druckerhöhung im Zentralkanal bewirkt so, dass das Material des Kerns auf der Länge des Ringkanals (17) gelängt wird und sich als Folge über die Wirkung der Querschrumpfung der Durchmesser des Kerns in Richtung des Formaustritts verkleinert und so der Klemmwirkung des Materialschrumpfs des aushärtenden Composits entgegenwirkt.
-
Sowohl der Kolben als auch das Ende des Kerns sind hier nur schematisch dargestellt. Das Ende des Kerns (10a) ist konisch gewählt, damit die aufgebrachte Kraft in Richtung der Achse des Kerns eine möglichst homogene Verjüngung des Kernendes zu Folge hat und nicht das Kraftübertragende Ende des Kerns den Ursprungsdurchmesser beibehält. Eine genaue Auslegung muss abhängig von Durchmesser und Gestalt des Kerns wieder numerisch erfolgen.
-
Die , und zeigen die erfindungsgemäße Ausführung eine Form für ein Rechteckprofil, die aus zwei trennbaren Hälften (1a, 1b) aufgebaut ist, die entlang einer Trennlinie (20) zusammengesetzt sind. Im Längsschnitt ( ist zu erkennen, dass die Form an 3 Positionen von an den Aufbau der Form angepassten Verbindungsbolzen (18) und Muttern (19) zusammengehalten wird. Auch hier ist, wie in /b ein einheitliches Zusatzmaterial (6) angenommen, dass je nach Ausführung auch wie in ein Fluid mit einer äußeren Druckbeaufschlagung sein kann. In diesem Falle wären die Hohlräume für das Fluid wie in abschnittsweise miteinander verbunden.
-
stellt einen Querschnitt der Form an der Position der Verbindungselemente dar (B-B' in . Die Verbindungselemente sind in einer dem Formkörper analogen Weise aufgebaut, d.h. sie bestehen ebenfalls aus einem 2- oder Mehrphasenmaterial. In diesem Fall ist dargestellt, dass die Verbindungsbolzen (18) ebenso wie die Form innere Hohlräume (21) für ein Zusatzmaterial besitzen. Auch hier kann es sich wieder entweder um ein festes Material oder ein Fluid handeln. Je nach Ausführung können die Hohlräume miteinander verbunden sein und ebenfalls eine Druckregelung von außen, beispielsweise durch die Achse des Verbindungsbolzens, ermöglichen.
-
stellt einen Querschnitt der Form an einer Position zwischen den Verbindungselementen dar (A-A' in . Es ist zu erkennen, dass die Hohlräume für das Zusatzmaterial (6) die gleiche Struktur besitzen wie die Hohlräume (21) in den Verbindungselementen, so dass die Verbindungselemente die erfindungsgemäße homogene Anpassung der Form an den Prozess nicht stören. Weiterhin ist in ein schematischer Verlauf der Trennlinie (20) gezeigt, die in diesem Falle nicht flach verläuft, sondern so ausgeführt ist, dass ein Formschluss entlang der Längsachse der Form entsteht und so die Bildung von Kanten in der Form bei der Anpassung an den Prozess vermieden werden. Weiterhin sind Bereiche mit Zusatzmaterial (6) in beiden Formhälften gemeinsam angeordnet, um eine absolut analoge Verformung beider Teile unter der Wirkung des Zusatzmaterials sicher zu stellen. Für den Fall, dass es sich bei dem Zusatzmaterial (6) um ein Fluid handelt, ist die Trennfuge, deren Verlauf die schematisch dargestellt ist, so gestaltet, dass schmale Bereiche bzw. Lippen (22) des Grundmaterials (1) in die jeweils andere Formhälfte hineinreichen. Diese Lippen bilden eine selbstdichtende Struktur gegenüber der Innen- und Außenseite der Form und stellen so sicher, dass kein Fluid in den Prozess gelangt oder aus der Form austritt. Ihre genaue Ausführung ist, wie auch die Gestalt der Bereiche des Zusatzmaterials, im konkreten Fall über numerische Verfahren zu bestimmen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- 1a, 1b Grundmaterial des Formkörpers
- 2
- Formkavität durch die das Profil geführt wird
- 3
- Zusatzmaterialbereich eines festen Zusatzmaterials
- 4
- Zusatzmaterialbereich eines zweiten festen Zusatzmaterials
- 5
- Zusatzmaterialbereich eines dritten festen Zusatzmaterials
- 6
- Zusatzmaterialbereich eines vierten, auch fluidischen, Zusatzmaterials
- 7
- Zusatzmaterialbereich eines fluidischen Zusatzmaterials für äußere Druckbeaufschlagung.
- 8
- Verbindung zwischen Zusatzmaterialbereichen von fluidischem Zusatzmaterial für äußere Druckbeaufschlagung
- 9
- 9.1,9.2,9.3: Anschlüsse zur Druckbeaufschlagung des fluidischen Zusatzmaterials in 3 Zonen entlang der Formachse
- 10
- Grundmaterial des Kernkörpers zur Hohlprofilfertigung
- 11
- Kolben aus dem Grundmaterial zu Längung und Verjüngung des vorderen Kernbereichs
- 12
- Zylinderraum zur Betätigung des Kolbes 12
- 13
- Zusatzmaterialbereich für Fluid zur Erweiterung des Kernquerschnitts
- 14
- Zusatzmaterialbereich für Fluid zur Betätigung des Kolbens 12
- 15
- Anschluss für Drucksteuerung
- 16
- Anschluss für Drucksteuerung
- 17
- Freiraum für Zylinder zur Längung des vorderen Kernbereichs
- 18
- Bolzen zur Verbindung einer zweiteiligen Form
- 19
- Mutter für Verbindungsbolzen 18
- 20
- Trennlinie der geteilten Form
- 21
- Zusatzmaterialbereiche im Verbindungsbolzen 18
- 22
- Dichtlippe als Element der Trennfuge 21
