DE4129881C2 - Kunststoffprofileigenverstärkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von eigenverstärkten Voll- oder Hohlprofilen mit größerem als fadenförmigem Durchmesser aus thermoplastischen, vorwiegend teilkristallinen Kunststoffen, mittels Extrusion und Extrusionsdruckformung eines Vorformlings zur Erzeugung einer Scher- und Dehnströmung mit Orientierung der morphologischen Struktur.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.

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

Die Verarbeitung thermoplastischer Polymerwerkstoffe zu eigenverstärkten Bauteilen und Halbzeugen konnte bisher nur durch uniaxiales oder biaxiales Recken von Fasern und Folien oder in Einzelfällen durch abschnittweises Pressen von Einzelstücken realisiert werden. Ein Verfahren (Walzpreßrecken, Maschinenmarkt 94 (1988) 13) läßt durch Walzen die Herstellung von eigenverstärkten Platten in Walzwerken zu, jedoch ist weder eine definierte Profilendgeometrie, noch eine maßgenaue Formfixierung nach Verlassen der Formungszone möglich.

In US 48 77 393 ist beschrieben, wie die Formung in hintereinandergeschalteten Walzwerken erfolgt, jedoch ist auch hier keine komplexe Profilgeometrie mit Hohlräumen möglich. In gleicher Patentschrift sind auch Möglichkeiten zur Umformung unter Druck beschrieben, die jedoch nur mit einem Stempel zur Aufbringung der Umformkraft, also diskontinuierlich arbeiten können.

Die in DE 27 06 688 A1 beschriebene Vorgehensweise beschreibt ebenfalls die Entstehung einer biaxialen Orientierung im Anschluß an die Extrusion. Es wurde erkannt, daß Reibung zwischen Profil und Werkzeug eine wesentliche Rolle spielt, jedoch wurde vorgeschlagen, diese mittels eines Gleitmediums zu reduzieren, im allgemeinen sind diese Zusätze jedoch störend. Zusätzliche Möglichkeiten zur Krafteinbringung und zur Reduzierung der Kräfte sind jedoch nicht Gegenstand der Erfindung.

Insbesondere die definierte Abkühlung unter Druck zum weiteren Aufbau der angestrebten gerichteten kristallinen Struktur und deren Fixierung zur erfindungsgemäßen Fertigung von eigenverstärkten Profilen führt zu derart großen Temperierzonenlängen, die mit dem in DE 27 06 688 A1 beschriebenen Verfahren nicht realisiert werden können.

Es ist daher die 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 in kontinuierlicher Verfahrensweise zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 genannte Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zusätzlich zum Extrusionsdruck von außen auf den erstarrten Profilkörper bei homogener Temperaturverteilung dreidimensional Druck zur weiteren Orientierung aufgebracht wird, die unter Ausnutzung des noch wirksamen Extrusionsdrucks und unter Aufbringung von in Längs- oder Bewegungsrichtung des Profilkörpers pulsierenden Zug- oder Druckkräften nach Art getakteter Umformschritte durchgeführt 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 Extrusionsdruckes 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 verhindert, 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 Eigenschaften möglich. Die zur gleichmäßigen Druckorientierung aufzuwendenden Kräfte können gezielt und beherrschbar integriert in den Extrusionsprozeß eingebracht werden.

In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung wird nach Patentanspruch 2 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, wobei im Fertigteil eine neue von der bisher bekannten fibrillierten Struktur abweichende morphologische Struktur entsteht.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann nach Patentanspruch 3 die Druckorientierung von außen und/oder innen vorzugsweise über einen Exzenter-, Zahnstangen- oder Hebeltrieb oder Profiloberfläche aufliegen oder oberflächlich eindringen, in Profillängsrichtung oder Bewegungsrichtung erfolgen. Die Druckorientierung kann auch hierbei in Takten erfolgen, die der Fertigungsgeschwindigkeit angepaßt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die in Anspruch 4 genannte Vorrichtung durchgeführt, deren vorteilhafte Wirkung 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 Druckkräfte in das Vorformlingsprofil einbringen. Die einstückige Ausbildung des Extrusions- und Umformwerkzeuges einschließlich der Heiz- und Kühleinrichtungen ermöglicht eine exakte Temperierung des Profilkörpers in den genannten Verfahrenszonen. Im Kern von hohlen oder rohrförmigen Profilen ist gemäß Anspruch 5 eine Profilkörper- Antriebseinheit enthalten, die mit getriebeartigen Elementen über ein Dornhalterwerkzeug angetrieben wird, wobei zur Bewegungstransmission vorzugsweise Kegel- und Schneckenzahnräder vorgesehen sind. Die Antriebselemente liefern die zur Überwindung der Reibung und zur Druckaufbringung erforderlichen Kräfte in bezug auf den Vorformling. Als Antriebselemente dienen vorzugsweise Endlosbänder, Scheiben oder Walzen, die auf der Profiloberfläche aufliegen oder oberflächlich eindringen. Für die Fertigung von Hohlprofilen können 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.

Nachdem erfindungsgemäß bewegliche Werkzeugteile zur Führung und/oder Formung des Profilkörpers vorgesehen und sowohl 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, ist es möglich, den erfindungsgemäßen Fertigungsprozeß zu beschleunigen und die zur Profilfortbewegung und Umformung notwendigen Kräfte erheblich zu reduzieren. 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 kann die Formwerkzeugeinheit modular in Zonen aufgebaut werden, 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 sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen

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

Fig. 2a, b einen Innenantrieb für Hohlprofile mit einem über einen Dormhalterkopf getriebenen Band,

Fig. 3a, b die Längsbewegung des konischen Werkzeugkernes zur getakteten Druckorientierung bei kontinuierlichem Vorformlings- Vorschub und

Fig. 4 ein Antriebselement zur getakteten Längsverschiebung eines Kernsegmentes mit Exzenterbetätigung.

Das erfindungsgemäße Werkzeug kann in verschiedenen 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 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 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 Formen 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 endgültige Abkühlung des Profilkörpers geschieht in einem Kühlbad 16, bevor das Fertigteil über einen Abzug entnommen wird.

Die zur Überwindung der Reibung und zur Druckaufbringung erforderlichen Kräfte werden in den Vorformling 17 durch einen in das Werkzeug integrierten Antrieb aufgebracht, der beispielsweise, wie in Fig. 2a im Längsschnitt dargestellt, mit einem oder mehreren auf der Profiloberfläche aufliegenden bzw. oberflächlich eindringenden Bändern 23 arbeitet. Die Auflageflächen der Bänder 23 sind jeweils der Profilkontur angepaßt. Die Bänder 23 werden entweder über auf die Rollen 22 wirkende Reibräder oder von innen über einen geteilten Dornhalterkopf 24 mit entsprechender Kernausbildung getriebeartig über Kegel- und Schneckenzahnräder geführt (Fig. 2b). Der Dornhalterkopf ist ebenso wie das daran anschließende Werkzeugkernstück 21 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.

Mit den beschriebenen Antriebsvorrichtungen ist eine gezielte kontinuierliche Druckaufbringung auf den Profilstrang möglich. Alternativ hierzu und prinzipiell in Fig. 3a und 3b angedeutet kann jedoch auch die Druckaufbringung getaktet durch einen beweglichen Innenkern 28 erfolgen. Wie in Fig. 3a 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. 3a die Vorschubbewegung des Vorformlingskörpers einen erweiterten Spaltraum 32 schafft, wird dieser Raum bei Rückbewegung des Kernes 28 in Richtung des Pfeiles 31 zum Zwecke der Druckorientierung verengt (Fig. 3b). Die Kernlängshin- und -herbewegung kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, so beispielsweise durch den in Fig. 4 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 Profils von denen in den Randbereichen abweichen.

Die Ausrichtung der Makromoleküle des Kunststoffs 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 Orientierung kann auch durch gezielte Beeinflussung der Kristallisation während des Erstarrens im Vorformlingskörper eingebracht werden.

Die in Fig. 3a, 3b und 4 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 (5)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von eigenverstärkten Voll- oder Hohlprofilen mit größerem als fadenförmigem Durchmesser aus thermoplastischen, vor-wiegend teilkristallinen Kunststoffen, mittels Extrusion und Extrusionsdruckformung eines Vorformlings zur Erzeugung einer Scher- und Dehnströmung mit Orientierung der morphologischen Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Extrusionsdruck von außen auf den erstarrten Profilkörper bei homogener Temperaturverteilung dreidimensional Druck zur weiteren Orientierung aufgebracht wird, die unter Ausnutzung des noch wirksamen Extrusionsdrucks und unter Aufbringung von in Längs- oder Bewegungsrichtung des Profilkörpers pulsierenden Zug- und/oder Druckkräften nach Art getakteter Umformschritte durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem kontinuierlichen Prozeß gefertigte Vorformling eine gezielte, der späteren Umformung angepaßte, Orientierung aufweist und im nachfolgenden Prozeßschritt umgeformt wird, wobei im Fertigteil eine neue von der bisher bekannten fibrillierten Struktur abweichende morphologische Struktur entsteht.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kräfte zum Druckumformen von Hohlprofilen zusätzlich zum Extrusionsdruck durch im Profilhohlraum angeordnete Antriebselemente eingebracht werden, wobei die Krafteinleitung vorzugsweise über einen Exzenter-Zahnstangen- oder Hebeltrieb oder über band-, scheiben- oder walzenförmige Antriebselemente erfolgt, die auf der Profiloberfläche aufliegen oder oberflächlich eindringen.

4. Vorrichtung zur Durchführung des in den Ansprüchen 1 bis 3 genannten Verfahrens mit einem einstückigen Extrusions- und Umformwerkzeug sowie Heiz- und Kühleinrichtungen, modular in Zonen aufgebaut und zonenweise getrennt exakt auf extrem unterschiedliche Temperaturen heiz- und kühlbar, wobei die für die Formgebung des Profils maßgeblichen Werkzeugteile getaktet in Längsrichtung hin- und herschiebbar sind, wodurch einerseits der Profilantrieb unterstützt und andererseits in der Umformzone ein separater Preßschritt möglich wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Fertigung von Hohlprofilen der Kern eine Profilkörper-Antriebseinheit enthält, die mit getriebeartigen Elementen über ein Dornhalter- oder Wendelverteilerwerkzeug angetrieben wird, wobei zur Bewegungstransmission vorzugsweise Kegel oder Schneckenzahnräder vorgesehen sind und die weiteren Antriebselemente aus Endlosbändern, Scheiben oder Walzen bestehen, die auf der Profilinnenoberfläche aufliegen oder oberflächlich eindringen.