DE3717321C2 - Verfahren zur Herstellung eines durch Rovings verstärkten, flächigen Bauteils - Google Patents

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 23 12 816 C3 ist ein Verfahren zur Herstellung von flächigem Halbzeug aus thermoplastischen Kunststoffen be­ schrieben. 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 24 03 610 C3 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 getränkten Faserstrang eine thermoplastische Abdeckung aufgebracht, durch spezielle Kühlung der Thermoplast verfestigt, das Tränkharz jedoch noch nicht ausgehärtet und das Extrudat dann in einem Auffangbehälter auf Vorrat ge­ schichtet abgelegt. Zur Fertigung eines größerflächigen Bauteils durch Nebeneinanderlegen solcher Prepregs sind diese Extrudate nicht gut geeignet, da eine feste Verbindung angrenzender Prepregs nur durch die relativ dünne thermoplastische Schicht möglich ist und außerdem kein homogener oder annähernd homogener Werkstoff erhalten wird, der in der Regel bessere Belastungseigenschaften besitzt als ein nicht homogener Werkstoff. Außerdem ist bei der Herstellung von Bauteilen ein zweiter Wärmeprozeß notwendig, um das Tränkharz auszuhärten. Ein weiterer Nachteil wird darin gesehen, daß an den Grenzschichten Thermoplast-Tränkharz keine innige Verbindung entsteht.

Schließlich ist aus der DE 31 15 306 A1 ein Verfahren zum Preßformen von Kunststoffmaterial bzw. einer plastischen Masse mittels einer Presse bekannt, die obere und untere Formen aufweist. Diese Vorveröffentlichung befaßt sich also nicht mit der Herstellung von Prepregs und auch nicht mit der Verwendung von Rovings. Unterschiedlich ist auch, daß dort ein langer, entsprechend dem gewünschten Muster verfahrbarer Arm mit am freien Ende vorgesehener Extruder­ düse verwendet wird, um einen ungefüllten Thermoplast in noch verformbarem, warmem Zustand auf einer Formplatte nach einem Muster zu verteilen. Diese Anordnung ist für mit Rovings versehene Extrudate nicht geeignet, weil der Arm sehr schnell durch die Rovings verstopft sein würde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, durch das bei Verwendung ver­ schiedener Polymerwerkstoffe eine innige Verbindung zwischen den Rovings und dem Polymerwerkstoff entsteht und bei dem die Rovings auf einfache Weise entsprechend der vorgesehenen Beanspruchung des Bauteils verlegbar sind und diese aus einem homogenen oder nahezu homogenen Werkstoff bestehen.

Erfindungsgemäß wird obige Aufgabe durch die Verfahrens­ schritte des Anspruchs 1 gelöst.

Die Rovings werden dem im Schmelzenzustand befindlichen Polymerwerkstoff 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 Polymerwerkstoff. Diese Verbindung ist wesentlich inniger als eine Verbindung, die dann entstünde, wenn die Rovings dem nur noch im warmplastischen Zustand be­ findlichen Polymerwerkstoff hinter dem Extruder zugeführt werden würden.

Dadurch ist es möglich, die verschiedensten Polymer­ werkstoffe oder deren Mischungen einzusetzen. Als Polymer­ werkstoffe können Thermoplaste, Elastomere oder gegebenenfalls auch Duroplaste verwendet werden. Insbesondere eignen sich auch Polyester, Polyamid und Poly­ propylen als Polymerwerkstoffe. Damit ist es möglich, solche polymeren Werkstoffe weiterzuverarbeiten, die bei anderen Verfahren als Abfall anfallen. Auch wird bei Verwendung solcher Polymerwerkstoffe in der Schmelze des Werkstoffs eine sichere Verbindung des Werkstoffs zwischen den Rovings und dem Werkstoff erreicht. Außerdem gewährleistet die Bewegung der Formplatte und/oder des Extruderkopfes relativ zueinander eine einwandfreie plan­ mäßige Ablage auf der Formplatte trotz der Füllung des Polymerwerkstoffes mit Rovings, insbesondere auch bei hohem Füllgrad mit den Rovings.

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 Extrudatschlingen 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.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

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 polymeren Werkstoffs, beispielsweise eines Thermoplasts, wie Polyester, Polyamid oder Polypropylen, 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) münden, werden in diesen Rovings (7), insbesondere Glasseiden-Rovings, eingeführt. Die Rovings (7) werden von Spulen (8) abgespult.

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 Bedarfsfalle 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, Fig. 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 Extrudat (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 ver­ stärkten, flächigen Bauteils aus Polymerwerkstoffen, bei dem in einem Extruder der Schmelze des Polymerwerkstoffes über den Austrittsquerschnitt der ring- oder kreisförmigen Extruderdüse verteilt mehrere Rovings zugeführt werden, das so entstandene strangförmige, die Rovings einschließende Extrudat auf einer Formfläche in mehreren Schlingen zu einem Ablegemuster abgelegt wird und das abgelegte Extrudat in noch warmplastischem Zustand zu dem Bauteil verpreßt wird, wobei zum Ablegen des Extrudats die Formfläche und/oder der Extruderkopf relativ zueinander bewegt werden.

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 ein schlauchförmiges Extrudat hergestellt wird, das während des Ablegens auf die Formfläche kontinuierlich aufgeschlitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgeschlitzte Extrudat in den ebenen Zustand aufgerollt auf der Formfläche abgelegt wird.

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.