DE4129881A1

DE4129881A1 - Kunststoffprofileigenverstaerkung

Info

Publication number: DE4129881A1
Application number: DE4129881A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ing Frey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-09-09
Filing date: 1991-09-09
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2011-09-10
Also published as: DE4129881C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von eigenverstärkten Voll- oder Hohlprofilen mit größerem als fadenförmigen Durchmesser aus thermoplastischen, vorwiegend teilkristallinen Kunststoffen, mittels Extrusion unter einem eine Dehnströmung zur Orientierung der Kunststoffkettenmoleküle und Strukturen aufbauenden Extrusionsdruck und anschließender Thermofixierung bei definierter Abkühlung zur weiteren Stabilisierung der angestrebten molekularen Struktur.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens mit einem Extrusions- und einem Umformwerkzeug sowie Heiz- und Kühleinrichtungen.

Zur besseren Ausnutzung der theoretischen Festigkeit und Steifigkeit von Kunststoffen ist es grundsätzlich bekannt, durch gezielte Beeinflussung der Molekülanordnung eine Eigenverstärkung herbeizuführen.

Allerdings konnte die Herstellung eigenverstärkter thermoplastischer Polymerwerkstoffe bisher nur bei Fasern mittels des sogenannten Lösungsgelspinnens und anschließenden Warmverstreckens praktisch realisiert werden. Hingegen bereitete die Eigenverstärkung bei im kontinuierlichen Extrusionsprozeß hergestellten Thermoplasten Schwierigkeiten. Es wurde zwar erkannt, daß die Voraussetzung für eine Orientierung der Kettenmoleküle eine Dehnströmung beim Extrudieren ist, so daß ein hoher Extrusionsdruck bei definierter Abkühlung zum weiteren Aufbau der angestrebten kristallinen Struktur und deren Fixierung durch zusätzlich wirkende druckinduzierte Kristallisation und damit verbundenes Anheben der Schmelztemperaturen über die Massetemperatur gewählt wurden. Die bisherigen Versuche beschränkten sich jedoch darauf, die Düsengeometrie derart zu gestalten, um eine optimale Strömungsbeschleunigung zu erhalten. Durch die Geschwindigkeitsänderung im Düseneinlauf werden die Molekülketten gestreckt. Da am Ende der Beschleunigungsstrecke jedoch keine Geschwindigkeitsänderung mehr vorhanden ist, besteht die Gefahr, daß die gestreckten Moleküle wieder relaxieren. Um dieses zu verhindern und die gestrecktkettige Konformation der Moleküle durch Kristallisation zu fixieren, ist neben dem hohen Extrusionsdruck eine genaue Steuerung der Abkühlbedingungen im Extrusionswerkzeug notwendig. Diese Maßnahmen haben jedoch bisher noch nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen geführt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch Weiterentwicklung des bekannten Verfahrens bzw. der bekannten Vorrichtung eine gezielte Druckorientierung zum Zwecke der Herstellung von Kunststoffen mit verbesserten Eigenschaften auch in anderer als axialer Richtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst, dessen Neuerung dadurch gekennzeichnet ist, daß zusätzlich zum Extrusionsdruck von außen auf den erstarrten Profilkörper in einem stationären Strömungsfeld bei homogener Temperaturverteilung, vorzugsweise dreidimensional ein Druck zur Orientierung aufgebracht wird.

In den bisher nach dem Stand der Technik bekannten Extrusionsverfahren können Kräfte nur über die Schmelze, d. h. über deren Druck, oder über eine Abzugsvorrichtung, d. h. Zug, in das Profil eingebracht werden. Da sowohl die Höhe als auch die Gleichmäßigkeit des Extrusionsschmelzdruckes nicht ausreicht, um den Profiltransport und eine gleichmäßige dreidimensionale Orientierung zu garantieren, und das Aufbringen einer Zugspannung sowohl die Entstehung der gewünschten molekularen und kristallinen Struktur im optimalen thermodynamischen Gleichgewicht beeinträchtigt, was zu Mikroporositäten und Mikrorissen führen kann, als auch eine exakte Formgebung verhinderte, blieb es der vorliegenden Erfindung vorbehalten, diese Nachteile zu vermeiden. Mit der erfindungsgemäß gewählten Festphasenextrusion ist erstmals eine kontinuierliche Fertigung von Kunststoffvoll- oder -hohlprofilen mit wesentlich verbesserten mechanischen Eigenschaften möglich. Die zur gleichmäßigen Druckorientierung aufzuwendenden Kräfte können gezielt und beherrschbar integriert in den Extrusionsprozeß eingebracht werden.

In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung wird in einem kontinuierlichen Prozeß zunächst ein Vorformlingskörper mit einer gerichteten Orientierung hergestellt, der dann zu dem gewünschten Profilkörper umgeformt wird. Der Vorformlingskörper kann mit einem hohen Orientierungsgrad gebildet werden und läßt dann eine gezielte Einflußnahme auf die Richtung der Orientierungen zu. Vorzugsweise wird die Orientierung durch Zug oder Druck in Längs- oder Bewegungsrichtung und/oder durch gezielte Beeinflussung der Kristallisation während des Erstarrens im Vorformlingskörper eingebracht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Druckorientierung bei kontinuierlichem Profil- und/oder Vorformlingskörpervorschub in getakteten Umformschritten eingebracht.

Bei der Fertigung von hohlen oder rohrförmigen Profilen gewährleistet ein feststehender oder beweglicher Kern eine form- und maßgenaue Ausbildung der Profilinnenkontur.

Verfahrenstechnisch kann die Druckorientierung von außen und/oder innen, vorzugsweise über einen Exzenter- Zahnstangen- oder Hebeltrieb oder über band-, scheiben oder walzenförmige Antriebselemente, die auf der Profiloberfläche aufliegen oder oberflächlich eindringen, mit in Profillängsrichtung oder quer dazu bewegten Werkzeugteilen erfolgen. Die Druckorientierung kann insbesondere in Takten erfolgen, die der Fertigungsgeschwindigkeit angepaßt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die im Anspruch 8 beschriebene Vorrichtung durchgeführt, deren Neuerung darin besteht, daß in einem einstückigen Werkzeug im Anschluß an den Extrusionsdüsenausgang radial an dem Extrusionsprofilkörper angreifende und in der Förderebene gegen und/oder in Förderrichtung wirkende Antriebselemente vorgesehen sind. Die einstückige Ausbildung des Extrusions- und Umformwerkzeuges einschließlich der Heiz- und Kühleinrichtungen ermöglicht eine exakte Temperierung des Profilkörpers in den getrennten Verfahrenszonen. Die Antriebselemente liefern die zur Überwindung der Reibung und zur Druckaufbringung erforderlichen Kräfte in bezug auf den Vorformling, entweder bei Vollkörpern radial von außen oder bei Hohlkörpern radial von außen und/oder von innen. Als Antriebselemente dienen vorzugsweise Endlosbänder, Scheiben oder Walzen, die auf der Profiloberfläche aufliegen oder oberflächlich eindringen. Wie bereits erwähnt, können für die Fertigung von Hohlprofilen feststehende oder ganz oder teilweise bewegliche Kerne vorgesehen sein. Die beweglichen Kerne sind vorzugsweise getaktet in Längsrichtung hin- und herschiebbar, wobei der Kern einerseits den Profilantrieb unterstützt und andererseits in der Umformzone einen separaten Preßschritt erlaubt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung enthält der Kern eine Profilkörper-Antriebseinheit, die mit getriebeartigen Elementen über ein Dornhalterwerkzeug angetrieben wird, wobei zur Bewegungstransmission vorzugsweise Kegel- und Schneckenzahnräder vorgesehen sind.

Nach einer alternativen Ausgestaltung sind bewegliche Werkzeugteile zur Führung und/oder Formung des Profilkörpers vorgesehen und sowohl getaktet mit oder ohne Abheben von der Profiloberfläche hin- und herbewegbar, oder kontinuierlich mit Rücklaufband oder Kreisscheibe geführt bzw. kreisscheiben- oder walzenförmig ausgebildet. Bewegliche Werkzeugteile beschleunigen den erfindungsgemäßen Fertigungsprozeß und reduzieren die zur Profilfortbewegung und Umformung notwendigen Kräfte erheblich. Dies schließt eine Segmentierung des Werkzeuges in Teilbereiche ein, an deren Wandung die Antriebselemente in Gliederkettenanordnung geführt und angetrieben werden können, so daß das gesamte Umformwerkzeug als Antriebselement genutzt wird.

Schließlich wird vorzugsweise die Formerkzeugeinheit modular in Zonen aufgebaut, wobei die einzelnen Zonen getrennt exakt auf extrem unterschiedliche Temperaturen heiz- oder kühlbar sind. Dies kann durch thermisch voneinander isolierte Trennebenen realisiert werden, indem die Kraftweiterleitung über Zuganker erfolgt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeuges zur Extrusions- Druckorientierung,

Fig. 2 einen Reibrad-Profilantrieb mit außenliegendem und/oder innenliegendem Antriebselement,

Fig. 3 einen Innenantrieb für Hohlprofile mit einem über einen Dornhalterkopf getriebenen Band,

Fig. 4 einen Bandprofilantrieb für den Profilkörper,

Fig. 5 die Längsbewegung des konischen Werkzeugkernes zur getakteten Druckorientierung bei kontinuierlichem Vorformlings-Vorschub und

Fig. 6 ein Antriebselement zur getakteten Längsverschiebung eines Kernsegmentes mit Exzenterbetätigung.

Das erfindungsgemäße Werkzeug kann in verschiedene Maschinenbauteile aufgeteilt werden: Eine Extrusionsvorrichtung A, eine Vorrichtung B zur Führung und Formung eines Vorformlings, eine Umformvorrichtung C und eine Abführeinrichtung D. Demgemäß lassen sich verfahrenstechnisch auch die Verfahrensschritte I bis VIII wie folgt zuordnen: Plastifizieren I, Formen II, Abkühlen/Kristallisieren III, Temperaturausgleich IV, Temperieren/Erwärmen V, Umformen VI, Fixieren VII und Abkühlen VIII.

Die Extrusionsvorrichtung ist grundsätzlich bekannt und besteht aus einem Kunststoffgranulatfülltrichter 10 und einer Plastifizierschnecke 11, die in eine Extrusionsdüse 12 mündet. Die elektrischen Heizbänder sind mit 13 bezeichnet. Das Kunststoffgranulat wird im beheizten Zylinder durch die sich drehende Plastifizierschnecke 11 verdichtet, entgast, erwärmt und damit plastifiziert. Die Schnecke 11 drückt die formbare Kunststoffmasse fortlaufend nach vorne durch die Extrusionsdüse 12, wo sie als Strang oder Vorformling, austritt. Die Temperatur in der Formzone II beträgt 25 bis 80°C. Nach dem Umformen wird der Vorformling abgekühlt und bei 0 bis 150°C kristallisiert (III), bevor er einer Temperierung bei 120 bis 250°C unterzogen wird (V). Im Umformschritt VI beträgt die Temperatur 120 bis 250°C, wonach der Profilkörper bei 100 bis 200°C fixiert (VII) und hieran anschließend auf -20 bis +50°C abgekühlt wird (VIII). Zur Isolation der einzelnen Wärmestufen entsprechend den vorgenannten Temperaturen dienen Wärmetrennungen 14, zur Heizung nach dem Stand der Technik bekannte Temperiermedien 15, die vier bis fünf Kreisläufe umfassen. Die Abkühlung des Profilkörpers geschieht in einem Kühlbad 16, bevor das Fertigteil über einen Abzug 17 entnommen wird. Die zur Überwindung der Reibung und zur Druckaufbringung erforderlichen Kräfte werden von außen in den den Vorformling 18 umschließenden Werkzeugbereich durch einen in das Werkzeug integrierten Antrieb aufgebracht, der beispielsweise, wie in Fig. 2a im Längsschnitt und in Fig. 2b im Querschnitt dargestellt, mit einem oder mehreren auf der Profiloberfläche 18a bzw. 18b aufliegenden bzw. oberflächlich eindringenden Reibrädern 19, 20 arbeitet. Die Auflageflächen 19a bzw. 20a sind jeweils dem Profilaußenmantel angepaßt. Durch Drehung der Reibräder 19 und 20 wird von außen auf den erstarrten Vorformling ein zusätzlicher Druck aufgebracht, wodurch eine Molekülorientierung bewirkt wird.

Statt der Reibräder kann auch entsprechend der Darstellung in Fig. 3a und 3b in zueinander senkrechten Ebenen ein Bandantrieb gewählt werden. In einem längsgeteilten Kernstück 21 sind über Rollen 22 geführte Endlosbänder 23 als Profilinnenantrieb vorgesehen. Diese Bänder werden entweder über auf die Rollen 22 wirkende Reibräder oder von innen über einen geteilten Dornhalterkopf 24 mit ensprechender Kernausbildung getriebeartig über Kegel- und Schneckenzahnräder geführt. Der Dornhalterkopf ist ebenso wie das daran anschließende Werkzeugkernstück längsgeteilt ausgebildet, um die Montage, den Ein- und Ausbau von Einbauteilen und eine gezielte Temperierung des Kernes zu gewährleisten. In der Umformzone ist ein aufgeschraubter Fixierkern 25 vorgesehen.

Eine entsprechend ausgebildete, jedoch auf dem Außenmantel des Profilkörpers angreifende Antriebsanordnung ist in Fig. 4a und 4b dargestellt. Dieser Bandantrieb besteht aus zwei auf gegenüberliegenden Seiten angreifenden Endlosbändern 26, die den Hohlprofilkörper 27 in Richtung der Umformzone treiben.

Mit den beschriebenen Antriebsvorrichtungen ist eine gezielte kontinuierliche Druckaufbringung auf den Profilstrang möglich. Alternativ hierzu und prinzipiell in Fig. 5a und 5b angedeutet kann jedoch auch die Druckaufbringung getaktet durch einen beweglichen Innenkern 28 erfolgen. Wie in Fig. 5a dargestellt, wird bei kontinuierlicher Vorschubbewegung des Profilkörpers (siehe Pfeile 30) durch getaktetes Hin- und Herbewegen des konischen Kernes 28 in Richtung der Pfeile 29 bzw. 31 der Preßspalt variiert. Während in Fig. 5a die Vorschubbewegung des Vorformlingkörpers einen erweiterten Spaltraum 32 schafft, wird dieser Raum bei Rückbewegung des Kernes 28 in Richtung des Pfeiles 31 zum Zwecke der Druckorientierung verengt (Fig. 5b). Die Kernlängshin- und -herbewegung kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, so beispielsweise durch den in Fig. 6 dargestellten Exzenterantrieb 33, aber auch durch Zahnstangen- oder Hebelantriebe bekannter Bauart. Der Übersichtlichkeit halber ist die Exzenterwelle 34 um 90° gedreht in der Bildebene gezeichnet worden.

Die eingangs beschriebene gerichtete Temperaturführung des Werkstückes erfolgt in Abhängigkeit der Profilgeschwindigkeit, der Länge und der Temperatur der Verfahrenszonen und Wärmeleit- und Wärmeübergangswerte in der Weise, daß zu Beginn des Umformschrittes das Vorformlingsprofil eine über den gesamten Querschnitt konstante Temperatur aufweist. Für einen energiegünstigen und geschwindigkeitsoptimierten Betrieb können die Temperaturen in der Mitte des Profiles von denen in den Randbereichen abweichen.

Die Ausrichtung der Makromoleküle des Kunststoffes ist von den Fließvorgängen während des Umformvorgangs abhängig. Je nach späterer Beanspruchung des hergestellten Fertigteiles kann eine uni- oder mehraxiale Orientierung bevorzugt werden. Dies ist gezielt mit oder ohne Werkzeuglängs- oder Werkzeugquerbewegung durch kontrollierte Geometrieänderung mit ständigem Formzwang auf das Werkstück vollziehbar.

Die in den Fig. 5a, 5b und 6 beschriebene getaktete Werkzeugbewegung kann im Extremfall als Vibration eingebracht werden, so daß sie auch bei einer Zugeinwirkung wirksam wird und eine erhebliche Verminderung der notwendigen Kräfte und damit eine Verbesserung der Formteileigenschaften bewirkt. Das Verhältnis der Einwirkungen zueinander kann von reinen Druckkräften bis zu reinen Zugkräften reichen.

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von eigenverstärkten Voll- oder Hohlprofilen mit größerem als fadenförmigem Durchmesser aus thermoplastischen, vorwiegend teilkristallinen Kunststoffen, mittels Extrusion unter einem eine Dehnströmung zur Orientierung der Kunststoffkettenmoleküle bzw. der teilkristallinen Strukturen aufbauenden Extrusionsdruck und anschließender Thermofixierung bei definierter Abkühlung zur weiteren Stabilisierung der angestrebten molekularen Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Extrusionsdruck von außen auf den erstarrten Profilkörper in einem stationären Strömungsfeld bei homogener Temperaturverteilung, vorzugsweise dreidimensional ein Druck zur Orientierung aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem kontinuierlichen Prozeß zunächst ein Vorformlingskörper mit einer gerichteten Orientierung hergestellt wird, der dann zu dem gewünschten Profilkörper umgeformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung durch Zug oder Druck in Längs- oder Bewegungsrichtung und/oder durch gezielte Beeinflussung der Kristallisation während des Erstarrens eingebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckorientierung bei kontinuierlichem Profil- und/oder Vorformlingskörpervorschub in getakteten Umformschritten eingebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilinnenkontur eines Rohres oder Hohlkörpers mittels eines feststehenden oder beweglichen Kernes geformt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckorientierung von außen und/oder innen, vorzugsweise über einen Exzenter- Zahnstangen- oder Hebeltrieb oder über band-, scheiben- oder walzenförmige Antriebselemente, die auf der Profiloberfläche aufliegen oder oberflächlich eindringen, mit in Profillängsrichtung oder quer dazu bewegten Werkzeugteilen erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckorientierung in der Fertigungsgeschwindigkeit angepaßten Takten erfolgt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des in den Ansprüchen 1 bis 7 beschriebenen Verfahrens mit einem Extrusions- und einem Umformwerkzeug sowie Heiz- und Kühleinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem einstückigen Werkzeug im Anschluß an den Extrusionsdüsenausgang (12) radial an dem Extrusionsprofilkörper (18) angreifende und in der Förderebene gegen und/oder in Förderrichtung wirkende Antriebselemente (19, 20, 23, 26, 28) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselemente aus Endlosbändern (23, 26), Scheiben (19, 20) oder Walzen bestehen, die auf der Probiloberfläche aufliegen oder oberflächlich eindringen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Fertigung von Hohlprofilen feststehende oder ganz oder teilweise bewegliche Kerne (28) vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (28) getaktet in Längsrichtung hin- und herschiebbar ist, wobei er einerseits den Profilantrieb unterstützt und andererseits in der Umformzone (C) einen separaten Preßschritt erlaubt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern eine Profilkörper- Antriebseinheit enthält, die mit getriebeartigen Elementen über ein Dornhalterwerkzeug angetrieben wird, wobei zur Bewegungstransmission vorzugsweise Kegel- und Schneckenzahnräder vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bewegliche Werkzeugteile zur Führung und/oder Formung des Profilkörpers vorgesehen sind und getaktet mit oder ohne Abheben von der Profiloberfläche hin- und herbewegbar sind oder kontinuierlich mit Rücklaufband oder Kreisscheibe geführt bzw. kreisscheiben- oder walzenförmig ausgebildet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Formwerkzeugeinheit modular in Zonen aufgebaut ist und einzelne Zonen getrennt exakt auf extrem unterschiedliche Temperaturen heiz- oder kühlbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspuch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zonen thermisch voneinander isoliert sind und die Kraftweiterleitung des Profilkörpers über einen Zuganker erfolgt.