DE3717321A1 - Herstellungsverfahren fuer ein flaechiges bauteil und bauteil - Google Patents
Herstellungsverfahren fuer ein flaechiges bauteil und bauteilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
eines durch Rovings verstärkten, flächigen Bauteils aus
Polymer-Werkstoffen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist in der
DE-OS 17 79 262 beschrieben. Dort werden Rovings aus
einem Gemisch von Glasfasern und thermoplastischen
Kunstharzfasern unter Hitze und Druck zu einem Formteil
verpreßt. Die Rovings müssen dabei bereits die gesamte
Menge des für das Formteil nötigen thermoplastischen
Kunstharzes enthalten.
In der DE-PS 23 12 816 ist ein Verfahren zur Herstellung
von flächigem Halbzeug aus thermoplastischen Kunststoffen
beschrieben. Es wird dort zwischen zwei Glasfasermatten
aus einer Breitschlitzdüse ein Strang aus Polypropylen
oder Polyamid extrudiert. Anschließend werden die
Glasfasermatten und die Kunststoffschmelze
zusammengepreßt. Rovings sind nach diesem Verfahren kaum
verarbeitbar.
In der DE-PS 24 03 610 ist ein Verfahren zum Herstellen
eines Prepregs beschrieben. Dabei werden
Glasseidenstränge mit hitzehärtbarem Harz getränkt und in
eine gewünschte Querschnittsform gebracht. Anschließend
wird auf den Faserstrang eine thermoplastische Abdeckung
aufgebracht. Zur Fertigung eines größerflächigen Bauteils
durch Nebeneinanderlegen solcher Prepregs sind diese
nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs
genannten Art vorzuschlagen, durch das bei Verwendung
verschiedener Polymer- Werkstoffe eine innige Verbindung
zwischen den Rovings und dem Polymer- Werkstoff entsteht
und bei dem die Rovings auf einfache Weise entsprechend
der vorgesehenen Beanspruchung des Bauteils verlegbar
sind.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe dadurch gelöst, daß in
einem Extruder der Schmelze des Polymer- Werkstoffs über
den Austrittsquerschnitt der ring- oder kreisförmigen
Extruderdüse verteilt mehrere Rovings zugeführt werden,
daß das so entstehende strangförmige, die Rovings
einschließende Extrudat auf einer Formfläche in mehreren
Schlingen zu einem Ablegemuster abgelegt wird und daß das
abgelegte Extrudat im noch warmplastischen Zustand zu dem
Bauteil verpreßt wird.
Die Rovings werden dem in Schmelzenzustand befindlichen
Polymer- Werkstoff zugeführt. Sie werden dabei unter der
im Extruder herrschenden, vergleichsweise hohen
Temperatur und dem dort herrschenden hohen Druck von der
Schmelze umschlossen. Es ergibt sich eine innige
Verbindung zwischen den Rovings und dem Polymer-
Werkstoff. Diese Verbindung ist wesentlich inniger als
eine Verbindung, die dann entstünde, wenn die Rovings dem
nur noch im warmplastischen Zustand befindlichen Polymer-
Werkstoff hinter dem Extruder zugeführt würden.
Dadurch ist es möglich, die verschiedensten Polymer-
Werkstoffe oder deren Mischungen einzusetzen. Als
Polymer- Werkstoff können Thermoplaste, Elastomere oder
gegebenenfalls auch Duroplaste verwendet werden.
Insbesondere eignen sich auch Polyester, Polyamid und
Polypropylen als Polymer- Werkstoffe. Damit ist es
möglich, solche polymeren Werkstoffe weiterzuverarbeiten,
die bei anderen Verfahren als Abfall anfallen. Auch wird
bei der Verwendung solcher Polymer- Werkstoffe in der
Schmelze des Werkstoffs eine sichere Verbindung zwischen
den Rovings und dem Werkstoff erreicht.
Als Rovings werden insbesondere Glasseiden-Rovings oder
Glasfaser-Spinnrovings verwendet.
Das Extrudat wird direkt nach dem Austritt aus der
Extruderdüse in mehreren, im wesentlichen parallel
verlaufenden Schlingen den gewünschten Abmessungen des
Bauteils entsprechend auf der Formfläche abgelegt. Das
Ablegen verläuft dabei so, daß die Rovings im Extrudat
entsprechend der vorgesehenen Belastung des Bauteils
verlaufen. Anschließend wird das abgelegte Extrudat so
verpreßt, daß sich die benachbarten Strangstücke
miteinander verbinden. Es ist damit auf einfache Weise
möglich, das Ablegemuster so zu gestalten, daß der
Verlauf der Rovings der zu erwartenden Bauteilbelastung
angepaßt ist. Das Ablegemuster läßt sich in vielfältiger
Weise variieren.
Da in jedem Ablegemuster mehrere Schlingen des Extrudats
verteilt sind, die ihrerseits mehrere Rovings umfassen,
ist der im Bauteil gewünschte Verlauf der Rovings sehr
exakt erreichbar. Die Verteilung der Rovings über den
Austrittsquerschnitt muß nicht gleichmäßig sein.
Vorzugsweise wird mittels einer Extruderdüse mit
ringförmigem Austrittsquerschnitt ein schlauchförmiges
Extrudat hergestellt, in dessen Wandung die Rovings
verteilt sind. Das schlauchförmige Extrudat läßt sich
leicht auf der Formenplatte ablegen. Der schlauchförmige
Querschnitt fällt dabei zusammen. Durch die Lage der
Rovings in der Schlauchwandung lassen sich am Bauteil
gewünschte Kunststoffüberdeckungen der Rovings erreichen.
Das Verfahren kann diskontinuierlich durchgeführt werden.
Es wird dann die Formenplatte mit dem gewünschten Bauteil
genügenden Extrudatsschlingen belegt. Das Verfahren kann
auch kontinuierlich durchgeführt werden. Es werden dann
aus zwei oder mehreren Extrudern die Stränge auf der
kontinuierlich transportierten Formenplatte abgelegt.
Ein nach dem genannten Verfahren hergestelltes Bauteil
zeichnet sich dadurch aus, daß im Bauteil die Rovings in
Gruppen schlingenförmig verlaufen und jede Roving-Gruppe
in den Polymer- Werkstoff eingeschmolzen ist und die die
Roving-Gruppe umschließenden Werkstoffbereiche lückenlos
aneinander angrenzen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus Unteransprüchen und der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung
zeigt
Fig. 1 eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens
schematisch,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Aufsicht auf die Formfläche mit einem
Ablegemuster,
Fig. 4 einen Schnitt eines Zwischenzustands des
Extrudats längs der Linie IV-IV nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Fig. 4 entsprechende Ansicht nach dem
Verpressen,
Fig. 6 einen kreisförmigen Querschnitt eines Extrudats
und
Fig. 7 ein weiteres Ablegemuster.
Ein Extruderkopf (1) weist einen Eingangskanal (2) auf, den
eine Extruderschnecke (3) mit der Schmelze eines poylmeren
Werkstoffs, beispielsweise eines Thermoplasts, wie
Polyester, Polyamid oder Poylpropylen, beschickt. Der
Eingangskanal (2) geht in einen im wesentlichen
rohrförmigen Kanal (4) des Extruderkopfes (1) über. Dieser
endet an einer ringförmigen Extruderdüse (5).
Durch Einzugskanäle (6), die von oben in den Kanal (4)
mündet, werden in diese Rovings (7), insbesondere
Glasseiden-Rovings, eingeführt. Die Rovings (7) werden von
Spulen (8) abespult.
Unterhalb der Extruderdüse (5) ist eine Formfläche (9)
vorgesehen. Der Extruderkopf (1) und/oder die
Formfläche (9) sind in der X-Y-Ebene (vgl. Fig. 3)
relativ zueinander verfahrbar.
Für jeden Roving (7) ist ein eigener Einzugskanal (6)
vorgesehen. Die Einzugskanäle (6) sind entsprechend der
gewünschten Verteilung der Rovings (7) angeordnet. Die
Rovings (7) werden im Kanal (4) gemeinsam von der heißen
und unter Druck stehenden Schmelze ummantelt. Dadurch
ergibt sich eine innige Verbindung zwischen den
Rovings (7) und dem Material der Schmelze, selbst wenn
dieses an sich wenig zur Einlagerung von Rovings geeignet
ist. Im Bedarsfalle kann auf die Rovings (7) zusätzlich
ein Mittel zur Haftverbesserung aufgetragen werden.
Die Extruderdüse (5) verläßt ein schlauchförmiges
Extrudat (10), in dessen Wandung die Rovings (7)
eingebettet sind (vgl. Fig. 2). Nach Fig. 2 sind die
Rovings (7) in dem Extrudat (10) gleichmäßig verteilt. Nach
innen hin sind sie in einer Dicke (i) und nach außen hin
in einer Dicke (a) von dem Kunststoff überdeckt. Die
Dicken (i, a) lassen sich entsprechend den Erfordernissen
einstellen. Im Bedarfsfalle kann auch eine ungleichmäßige
Verteilung der Rovings (7) in dem Extrudat (10) vorgesehen
sein. Beispielsweise ist es möglich, Rovings (7) nur in
einem bestimmten Winkelbereich in den Extruderkopf (1)
einlaufen zu lassen.
Das Extrudat (10) gelangt nach unten auf die Formfläche (9)
und wird dort im warmplastischen Zustand in Schlingen zu
einem Ablegemuster verlegt (vgl. Fig. 3, 7).
Das gewünschte Ablegemuster wird dadurch erreicht, daß
die Formfläche (9) während des Austretens des
Extrudats (10) unter dem Extruderkopf (1) entsprechend
verfahren wird. Umgekehrt könnte auch der Extruderkopf (1)
verfahren werden und die Formfläche (9) stillstehen.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ablegemuster wird die
Formfläche (9) mit ihrer Stelle (11) unter die
Extruderdüse (5) gefahren und dann zickzack so verfahren,
daß sich das Extrudat in Schlingen (12) auf die
Formfläche (9) legt. Hat das Extrudat (10) die Stelle (13)
erreicht, dann wird die Formfläche (9) so umgesteuert, daß
sie senkrecht zur bisherigen Zickzack-Richtung weiter
zickzack verfahren wird, so daß die Schlingen (14)
entstehen, die die Schlingen (12) überkreuzen. Ist das
Extrudat (10) an der Stelle (15) angekommen, dann wird es
abgetrennt.
Beim Ablegen des Extrudats (10) auf der Formfläche (9)
fällt der kreisringförmige Querschnitt zusammen (vgl.
Fig. 4). Anschließend wird dann das Extrudat (10) auf der
Formfläche (9) verpreßt. Dabei verschwindet der Hohlraum
der Schlauchform und die Schlingen (12) verbinden sich in
ihren aneinandergrenzenden Bereichen (16) (vgl. Fig. 5).
Es ist jedoch auch möglich das Extrudat nur so schwach zu
pressen, daß der ovale Hohlraum erhalten bleibt.
Nach dem Abkühlen liegt ein plattenförmiges Bauteil vor,
in dem in der X-Richtung und in der Y-Richtung Rovings (7)
gleichmäßig verteilt sind. Ein besonders gleichmäßiger
Verlauf der Rovings (7) ist dadurch erreicht, daß die
Rovings (7) in dem Extrudat (10) parallel verlaufen und das
warmplastische Extrudat (10) sich leicht auf der
Formfläche (9) auslegen läßt.
Im hergestellten Bauteil verlaufen die Rovings (7) in
parallelen, diagonalen bzw. sich kreuzenden Gruppen. Die
Anzahl der Rovings (7) in den Gruppen ist dabei gleich der
Anzahl der im Extruder (10) vorgesehenen Rovings (7).
Soll ein Bauteil geschaffen werden, bei dem die
Rovings (7) im wesentlichen nur in einer Richtung verlaufen,
dann wird das Extrudat (10) entsprechend Fig. 7 auf der
Formfläche (9) abgelegt.
Bei dem Ablegemuster nach Fig. 7 sind einige der
Schlingen (12) enger gelegt als andere Schlingen. Im
Bereich der enger gelegten Schlingen weist das Bauteil
eine erhöhte Belastbarkeit auf.
Durch Aufbringen einzelner zusätzlicher Schlingen läßt
sich ein Bauteil mit Versteifungsrippen herstellen.
Mit dem genannten Verfahren läßt sich auch ein
gitterförmiges Flächenbauteil herstellen. Die
Schlingen (12, 14) werden dann so weit beabstandet gelegt,
daß sich beim Verpressen der Polymer- Werkstoff in den
Bereichen (16) nicht verbindet.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das
schlauchförmige Extrudat (10) schlauchförmig auf die
Formfläche (9) abgelegt. Es ist jedoch auch möglich, das
schlauchförmige Extrudat (10) beim Ablegen aufzuschlitzen
und es in ebenem Zustand aufgerollt auf der Formfläche (9)
abzulegen. Damit lassen sich besonders dünnwandige
Bauteile herstellen.
Mit dem beschriebenen Verfahren ist auch die
kontinuierliche Herstellung eines langgestreckten,
praktisch endlosen, flächenförmigen Halbzeugs möglich. Es
wird dann eine Formfläche kontinuierlich, beispielsweise
in X-Richtung unter der Extruderdüse (5) durchgefahren.
Die Schlingen (12) lassen sich dann durch eine
entsprechende Bewegung des Extruderkopfes (1) gestalten.
Um sich kreuzende Schlingen zu erreichen, können zwei
oder mehrere entsprechend verfahrene Extruderköpfe
vorgesehen sein.
Mit dem Extruderkopf (1) nach Fig. 1 wird ein
schlauchförmiges Extrudat (10) hergestellt. Statt dessen
kann ein strangförmiges Extrudat (17) mit vollem
Querschnitt erzeugt werden (vgl. Fig. 6). Die Rovings (7)
sind über dessen Querschnitt gezielt verteilt; und zwar
dadurch, daß bei der Zuführung entsprechend Fig. 1 vor
dem Extruderkopf (1) eine Lochscheibe angeordnet ist, die
eine gleichmäßige Verteilung der Rovings über den
Querschnitt des Extrudates ermöglicht.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung eines durch Rovings
verstärkten, flächigen Bauteils aus Polymer-Werkstoffen,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem Extruder der
Schmelze des Polymer-Werkstoffs über den
Austrittsquerschnitt der ring- oder kreisförmigen
Extruderdüse verteilt mehrere Rovings zugeführt werden,
daß das so entstehende strangförmige, die Rovings
einschließende Extrudat auf einer Formfläche in mehreren
Schlingen zu einem Ablegemuster abgelegt wird und daß das
abgelegte Extrudat im noch warmplastischen Zustand zu dem
Bauteil verpreßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Extrudat in sich in zwei oder mehreren Ebenen
kreuzenden Schlingen auf der Formfläche abgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schlingen im Ablegemuster
voneinander beabstandet liegen und beim Verpressen
lückenlos verbunden werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die im Ablegemuster sich kreuzenden
Schlingen zu einem gitterförmigen Bauteil verpreßt
werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das aus der ringförmigen
Extruderdüse schlauchförmig austretende Extrudat während
des Ablegens auf die Formfläche kontinuierlich
aufgeschlitzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zum schlingenförmigen Ablegen
des Extrudats im Ablegemuster die Formfläche und/oder der
Extruderkopf relativ zueinander bewegt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Extrudat für jedes
Bauteil separat auf der Formfläche abgelegt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Extrudat für ein
Bauteil-Halbzeug auf eine kontinuierlich unter dem
Extruderkopf durchlaufende Formfläche abgelegt wird.
9. Flächiges, mit Rovings verstärktes Bauteil aus einem
Polymer-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß im
Bauteil die Rovings (7) in Gruppen schlingenförmig
verlaufen und jede Rovinggruppe in den Polymer-Werkstoff
eingeschmolzen ist und die die Rovinggruppen
umschließenden Werkstoffbereiche lückenlos aneinander
angrenzen.
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