DE69007648T2

DE69007648T2 - Pultrudierte thermoplastische Verbundstoffgegenstände mit variablem Querschnitt sowie Verfahren und Vorrichtung zu deren Herstellung.

Info

Publication number: DE69007648T2
Application number: DE69007648T
Authority: DE
Inventors: James Edward O'connor
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1989-02-10
Filing date: 1990-02-09
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2010-02-10
Also published as: ATE103535T1; KR900012742A; EP0382240A1; JPH02297423A; US5026447A; EP0382240B1; CA2008184A1; DK0382240T3; NO900637L; BR9000586A; ES2050857T3; DE69007648D1; AU626981B2; AU4916490A; NO900637D0

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von thermoplastischen Gegenständen. Insbesondere betrifft die Erfindung (ohne Beschränkung hierauf) Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung eines derartigen Gegenstands aus Poly-(arylensulfid) mit mehrfachen integrierten Abschnitten von unterschiedlichen Querschnittformen in einem Pultrusionsprozess.
Ein thermoplastisches Material, wie Poly-(arylensulfid) ist dadurch charakterisiert, daß es erwärmt oder wiedererwärmt, verformt und in einen gehärteten Zustand abgekühlt werden kann. Während dieses Vorgangs kann es mit einem Verstärkungsmaterial, z.B. mit einem oder mehreren Fasersträngen, kombiniert werden, wobei es sich beim Fertigungsgegenstand um einen verstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff handelt, der anstelle von anderen Materialien, wie Stahl, Holz oder Aluminium, die im Vergleich zum verstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff schlechtere Eigenschaften aufweisen, verwendet werden kann.
Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundwerkstoffs wird als "Pultrusion" bezeichnet. Beispielsweise wird ein Strang von Glasfasern durch eine Quelle eines thermoplastischen Materials gezogen, um den Faserstrang mit dem thermoplastischen Material zu imprägnieren und zu umgeben. Der erhaltene Verbundwerkstoff wird zur Herstellung eines gehärteten Gegenstands durch eine Erwärmungs-, Verformungs- und Kühlsequenz gezogen. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen fertigen Gegenstand handeln, der für einen bestimmten Endverwendungszweck (z.B. als Pumpstange zum Pumpen von Öl aus einer Erdölbohrung) bereitsteht, oder es kann sich um einen Gegenstand handeln, der zur Herstellung eines fertigen Gegenstands weiter verwendet wird.
Es gibt Beschreibungen über die Formung von derartigen Gegenständen mit variablen Querschnittflächen. US-PS-4 194 873 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines pultrudierten Rohmaterials, das sowohl eine unregelmäßige Oberfläche zur Erzielung von mechanischer Verklebungsfestigkeit als auch eine kontinuierliche Faserverstärkung, die den Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche entlang der Oberfläche des Stabs zur Erzielung einer erhöhten Zugfestigkeit folgt, aufweist. Jedoch gibt es bisher keine Offenbarung für Gegenstände mit unterschiedlichen Querschnittformen, die in integrierter (einstückiger) Weise in einem kontinuierlichen Verfahren gebildet werden. Durch Bereitstellen eines Produkts, das mehrfache, ausgewählte integrierte Formen aufweist, sowie durch Bereitstellen einer wirksamen Technik zur Herstellung eines derartigen Produkts, wurde man ein Bedürfnis befriedigen.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung überwindet die vorerwähnten und anderen Nachteile des Stands der Technik, indem neue und verbesserte pultrudierte, thermoplastische Verbundgegenstände mit variablem Querschnitt sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu deren Herstellung gemäß der Definition in den Ansprüchen bereitgestellt werden. Die vorliegende Erfindung stellt ein wirksames Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstandes, der eine Kombination von mehrfachen Querschnittformen in einem einstückig geformten Körper beinhaltet, insofern bereit, als der Gegenstand in einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt wird, das nicht abgestellt werden muß (zumindest nicht für eine längere Zeitspanne) oder unterschiedliche Ausrüstungen erfordert.
Der erfindungsgemäß bereitgestellte Gegenstand umfaßt einen pultrudierten thermoplastischen Verbundkörper mit mindestens zwei integrierten Abschnitten mit unterschiedlichen Querschnittformen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten thermoplastischen Gegenstands bereit, das folgende Stufen umfaßt: (a) ein länglicher Körper aus verstärktem thermoplastischem Material wird durch eine Vielzahl von Düsen gezogen; und (b) die Vielzahl von Düsen wird unabhängig voneinander betrieben, so daß eine beliebige Kombination der Düsen ausgewählt werden kann, die auf den länglichen Körper einwirken, um mindestens einem Teil des Körpers die Querschnittform der einen oder mehreren ausgewählten Düsen zu verleihen.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines verstärkten thermoplastischen Gegenstands mit unterschiedlichen Querschnittformen bereit. Die Vorrichtung umfaßt folgendes: Eine Quelle für ein verstärktes thermoplastisches Material, das aus einer stromaufwärts gelegenen Position in eine stromabwärts gelegene Position pultrudiert wird; eine erste endgültige Verformungs-Düseneinrichtung, mit der dem durchgezogenen verstärkten thermoplastischen Material eine erste Querschnittform verliehen wird, wobei die erste endgültige Verformungs- Düseneinrichtung stromabwärts von der Quelle für das verstärkte thermoplastische Material angeordnet ist; eine zweite endgültige Verformungs-Düseneinrichtung, mit der dem durchgezogenen verstärkten thermoplastischen Material eine zweite Querschnittform verliehen wird, wobei die zweite endgültige Verformungs-Düseneinrichtung stromabwärts zur ersten endgültigen Verformungs-Düseneinrichtung angeordnet ist; eine Zieheinrichtung, die stromabwärts von der zweiten endgültigen Verformungs-Düseneinrichtung angeordnet ist, um einen länglichen Körper aus verstärktem thermoplastischen Material aus der Quelle durch die erste und zweite endgültige Verformungs-Düseneinrichtung zu ziehen; und eine Einrichtung, mit der die erste und zweite endgültige Verformungs-Düseneinrichtung unabhängig voneinander betrieben werden, so daß eine beliebige Kombination der ersten und zweiten endgültigen Verformungs-Düseneinrichtung ausgewählt werden kann, um auf den länglichen Körper so einzuwirken, daß zumindest einem Teil davon die Querschnittform der einen oder mehreren ersten und zweiten endgültigen Verformungs-Düseneinrichtungen verliehen wird.
Somit ergibt sich aus den vorstehenden Ausführungen, daß es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines neuen und verbesserten, pultrudierten, thermoplastischen Verbundgegenstands mit variablen Querschnitt bereitzustellen. Andere und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann leicht beim Studium der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungs formen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gegenstands der vorliegenden Erfindung mit zwei integrierten Abschnitten von unterschiedlichen Querschnittformen.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Gegenstands der vorliegenden Erfindung mit drei Abschnitten mit drei unterschiedlichen Querschnittformen.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gegenstands.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der in Fig. 3 angegebenen Quelle für verstärktes thermoplastisches Material.
Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der in Fig. 3 angegebenen Quelle für verstärktes thermoplastisches Material.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung stellt einen Fertigungsgegenstand bereit, wobei ein Teil einer speziellen Ausführungsform eines derartigen Fertigungsgegenstands in Fig. 1 dargestellt ist. Der Gegenstand umfaßt einen pultrudierten, thermoplastischen Verbundkörper 2 mit mindestens zwei integrierten Abschnitten mit unterschiedlichen Querschnittformen. Der in Fig. 1 gezeigte Bereich der Ausführungsform weist zwei geformte Abschnitte auf. Ein Abschnitt 4 weist eine runde oder kreisförmige Querschnittform und ein Abschnitt 6 eine quadratische (allgemein rechteckige) Querschnittform auf. Ein Übergangsbereich 8 verbindet in integrierter (einstückiger) Weise die beiden Abschnitte 4 und 6. Der Körper 2 ist einstückig in der nachstehend näher beschriebenen Art und Weise geformt; es ist aber darauf hinzuweisen, daß der Körper 2 in bekannter Weise so geschnitten werden kann, daß der Abschnitt 4 vom Abschnitt 6 getrennt wird, oder aber so geschnitten werden kann, daß das geschnittene Endprodukt beide Formen umfaßt.
In Fig. 2 ist eine weitere spezielle Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fertigungsgegenstands gezeigt. Der in Fig. 2 gezeigte Gegenstand weist einen Körper 10 mit drei unterschiedlichen Querschnittformen auf. Jede dieser Querschnittformen ist in einem entsprechenden Abschnitt 12, 14 und 16 verwirklicht, wobei diese Abschnitte in einstückiger Weise linear miteinander verbunden sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist.
Ferner ist festzustellen, das Typ und Anzahl der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Formen für die Erfindung keine Beschränkung darstellen. Dies bedeutet, daß die vorliegende Erfindung nicht auf einen beliebigen speziellen Typ und eine beliebige spezielle Anzahl von Formen für einen speziellen Fertigungsgegenstand der vorliegenden Erfindung beschränkt ist.
Ferner ergibt sich aus den Darstellungen in den Figuren 1 und 2, daß es sich beim erfindungsgemäßen Fertigungsgegenstand vorzugsweise um einen einstückig ausgebildeten länglichen Körper handelt. Insbesondere weist ein derartiger Körper eine Vielzahl von verstärkenden Fasern auf, die typischerweise in einem oder mehreren Strängen, die mit einem thermoplastischen Polymeren imprägniert sind, ausgebildet sind. Bei den verstärkenden Fasern kann es sich um beliebige geeignete Typen handeln, typischerweise oder vorzugsweise handelt es sich jedoch um Glasfasern, Kohlenstoff-Fasern oder Aramidfasern oder daraus gebildete Hybridfasern. Auch das thermoplastische Polymere ist von einem beliebigen geeigneten Typ, der in der hier angegeben Art und Weise verformt werden kann. In den bevorzugten Ausführungsformen handelt es sich beim thermoplastischen Polymeren um eine Poly-(arylensulfid)-Matrix, wie Poly-(phenylensulfid).
Der aus einem derartigen Material hergestellte Körper der bevorzugten Ausführungsform umfaßt mindestens zwei unterschiedliche Querschnittformen, wie vorstehend ausgeführt ist. Im allgemeinen sind diese Querschnittformen eher von unterschiedlichen Typen, als daß sie nur unterschiedliche Querschnittflächen aufweisen. Dies bedeutet, daß sich die vorliegende Erfindung mit unterschiedlichen Querschnittformen im Gegensatz zu unterschiedlichen Größen von Querschnitten der gleichen Form befaßt. In Bezug auf das erfindungsgemäße Konzept ist es unwesentlich, ob die Querschnittflächen der unterschiedlichen Formen verschieden oder gleich groß sind; was vielmehr wichtig ist, daß die Querschnittformen unterschiedlich sind. Insbesondere weist ein Körper eines Fertigungsgegenstands der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mindestens zwei gattungsmäßige Querschnittfornien auf. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine dieser Querschnittformen gebildet, indem man mit einem thermoplastischen Polymeren imprägnierte Verstärkungsfasern durch eine Mehrzahl von nacheinander angeordneten Düsen zieht, und eine weitere dieser Querschnittformen wird gebildet, indem man die mit dem thermoplastischen Polymeren imprägnierten Verstärkungsfasern durch eine Anzahl von nacheinander angeordneten Düsen zieht, die gegenüber der vorerwähnten Vielzahl um mindestens eine Düse vermindert ist. Beispielsweise kann man gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform den Körper 2 zunächst durch zwei Düsen ziehen, eine stromaufwärts gelegene Düse, die die quadratische Querschnittform des Abschnitts 6 bewirkt, und eine stromabwärts gelegene Düse, die die kreisförmige Querschnittform 4 eines Teils des Körpers 2, der vorher durch die stromaufwärts gelegene Düse geleitet worden ist, bewirkt. Dadurch würde der Abschnitt 4 am vorderen Ende des Körpers 2 entstehen. Zu einem gewählten Zeitpunkt wird die stromabwärts gelegene Düse mit kreisförmigen Querschnitt geöffnet oder auf andere Weise bewerkstelligt, daß diese Düse nicht mehr auf den Körper 2 einwirkt, so daß nur die den quadratischen Querschnitt erzeugende Düse auf den Körper 2 einwirkt, wodurch der übergangsbereich 8 und der rückwärtige Bereich 6 mit quadratischem Querschnitt entstehen. Diese Technik wird nachstehend näher erläutert, wobei zunächst die in den Figuren 3 bis 5 dargestellte Vorrichtung beschrieben wird.
In Fig. 3 ist eine Vorrichtung eines verstärkten thermoplastischen Gegenstands mit unterschiedlichen Querschnittformen dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Quelle 20, mit der verstärktes thermoplastisches Material aus einer stromaufwärts gelegenen Stellung 22 in eine stromabwärts gelegene Stellung 24 gezogen wird. Die Vorrichtung 18 umfaßt auch eine endgültige Verformungs-Düseneinrichtung 26, um dem durchgezogenen verstärkten thermoplastischen Material eine erste Querschnittform zu verleihen. Ferner umfaßt die Vorrichtung eine endgültige Verformungs-Düseneinrichtung 28, um dem durchgezogenen verstärkten thermoplastischen Material eine zweite Querschnittfläche zu verleihen. Allgemein umfaßt die Vorrichtung 18 eine Vielzahl n eines bekannten Typs von Düsen als Düseneinrichtung, so daß dem durch die Vorrichtung 18 hergestellten Gegenstand n Querschnittformen verliehen werden können. Die spezielle Anzahl von Düsen und die von diesen bewirkten speziellen Formen bestimmen das endgültige Querschnittprofil der pultrudierten Struktur. Die n Düsen sind relativ zueinander so angeordnet, daß sie eine sequenzielle oder serielle Verarbeitung des kontinuierlich aus der Quelle 20 durchgezogenen Materials bewirken. Wie in Fig. 3 dargestellt, befindet sich die Düse 26 stromaufwärts zur Düse 28 und somit die Düse 28 stromabwärts zur Düse 26.
Jede der n Düsen ist von einem geeigneten Typ (beispielsweise handelt es sich um eine hydraulische Düse mit fixierter Öffnung eines aus dem Stand der Technik bekannten Typs), um die gewünschte jeweilige Querschnittfläche als endgültige Form des pultrudierten Gegenstands zu erzeugen. Somit können die Düsen als endgültige Verformungsdüsen im Gegensatz zu Düsen, mit denen eine Vorformung vorgenommen wird, bezeichnet werden. Ein Typ einer jeden derartigen Düse kann zwei Düsenelemente oder -mechanismen aufweisen: einen geheizten Düsenmechanismus und einen kühlenden Düsenmechanismus. Der geheizte Bereich erwärmt den thermoplastischen Kunststoff auf eine Temperatur, die es ermöglicht, den thermoplastischen Kunststoff durch den Düsendruck zu verformen (beispielsweise erwärmt eine geeignete geheizte Düse Poly-(phenylensulfid) auf eine Temperatur im Bereich von etwa 325 bis etwa 375ºC). Der Kühlbereich wird typischerweise nur für die Düse aktiviert, die eine ausgewählte endgültige Form bewirkt, da der Abkühlvorgang zur Härtung des thermoplastischen Kunststoffs in einer endgültigen Form herangezogen wird. Jede der n Düsen (und die individuellen Düsen davon, wenn mehr als eine vorliegt) können unabhängig voneinander geschlossen oder geöffnet oder anderweitig betrieben werden, um sicherzustellen, daß sie auf das pultrudierte Material einwirken oder nicht, um dem thermoplastischen Material wunschgemäß die jeweilige Form zu verleihen oder nicht.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung 18 umfaßt auch eine Zieheinrichtung 30, die stromabwärts von den Düsen angeordnet ist, um einen länglichen Körper 31 aus verstärktem thermoplastischen Material aus der Quelle 20 durch die Düsen zu ziehen. Dieser längliche Körper stellt an der Stelle der in Fig. 3 gezeigten Zieheinrichtung 30 einen erfindungsgemäßen Fertigungsgegenstand dar. Die Zieheinrichtung 30 ist von einem herkömmlichen bekannten Typ.
Die Vorrichtung 18 umfaßt ferner eine Einrichtung, mit der die Düsen unabhängig voneinander so betätigt werden können, daß eine beliebige Kombination der Düsen ausgewählt werden kann, um eine Bearbeitung des länglichen Körpers in der Weise durchzuführen, daß mindestens einem Teil des Körpers die Querschnittform der einen oder mehreren ausgewählten Düsen verliehen wird. Diese Betätigungseinrichtung ist in Fig. 3 als Steuereinrichtung 32 dargestellt. Die Steuereinrichtung 32 umfaßt eine beliebige geeignete Einrichtung zur Betätigung der Düsen in der gewünschten Weise. Beispielsweise kann es sich bei der Steuereinrichtung 32 um einen in geeigneter Weise programmierten Computer oder um eine einfachere Vorrichtung, z.B. eine Zähleinrichtung handeln, wobei es sich um jedem Fall um einen herkömmlichen Typ einer Vorrichtung, die in bekannter Weise in Reaktion auf eine gewünschte Eingabe betätigt werden kann, handelt. Wie in Fig. 3 dargestellt, tritt die Steuereinrichtung 32 in einfacher Weise aufgrund eines Signals von der Zieheinrichtung 30 oder aufgrund einer externen Eingabe in Tätigkeit. Das Signal von der Zieheinrichtung 30 stellt ein Maß oder eine Strecke für die Materialmenge, die pultrudiert worden ist, dar. Die Steuereinrichtung 32 kann so eingestellt werden, daß er bei vorgewählten Maßen unter Öffnen oder Schließen ausgewählter Düsen reagiert, wenn vorbestimmte Längen des Materials pultrudiert worden sind. Wenn jede Düse Mehrfachbereiche umfaßt, z.B. eine Heizdüse und eine Kühldüse, kann die Steuereinrichtung 32 so eingestellt werden, daß jede Düse unabhängig voneinander nach Bedarf gesteuert wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Steuereinrichtung 32 als Reaktion auf externe Eingaben in Tätigkeit tritt, beispielsweise durch Eingabe des Bedienungspersonals, das eine direkte und unmittelbare Steuerung der Düsen wünscht.
Die Vorrichtung 18 umfaßt auch eine Schneideeinrichtung 34 zum Schneiden des pultrudierten Körpers unter Bildung von diskreten Segmenten, die jeweils eine einzelne Querschnittform oder mehrere integrierte Querschnittformen aufweisen. Die Schneideeinrichtung 34 entspricht einem geeigneten bekannten Typ.
Die einzelnen vorerwähnten Komponenten der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung 18 entsprechen jeweils für sich genommen einem herkömmlichen Typ, so daß sie nicht näher beschrieben werden, mit Ausnahme einer kurzen Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsformen der Quelle 20. Diese sind in den Figuren 4 und 5 gezeigt.
Ein Typ der Quelle 20 ist in Fig. 4 gezeigt. Es handelt sich um den Typ, der von einem oder mehreren Fasersträngen ausgeht und den oder die Stränge in einer Poly-(arylensulfid)-Matrix imprägniert und fixiert. Der oder die Stränge werden durch eine Roving-Führung 36 und gegebenenfalls an einer Sprühdüse 38 vorbei geleitet, wobei durch diese Sprühdüse ein Strom eines gasförmigen Fluids abgegeben und mit dem Strangmaterial mit ausreichender Geschwindigkeit in Kontakt gebracht wird, um einen einzelnen Strang so zu verteilen, daß einzelne Filamente oder Bündel von einzelnen Filamenten getrennt werden, wodurch zwischen diesen Raum geschaffen wird, um den anschließenden Kontakt mit der Polymeraufschlämmung wirksamer zu gestalten. Jeder Strang wird um mehrere Umlenkstäbe 40 geführt, die eine Verteilung der Faserstränge in einem Bad 42 mit einem Gehalt an einer Poly-(arylensulfid)-Aufschlämmung bewirken, so daß die einzelnen Filamente in besseren Kontakt mit der Polymeraufschlämmung gelangen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Kontakt mit einem trockenen Pulver des thermoplastischen Materials herzustellen. Imprägnierte Faserstränge werden sodann durch einen Führungsmechanismus 44 geleitet, der eine Ausrichtung zur Durchführung durch eine erwärmte Trocknungskammer 46 bewirkt, worin das Aufschlämmungsmedium unter Zurücklassen eines trockenen, mit dem Polymeren imprägnierten Strangs entfernt wird. Der Strang wird sodann durch die Vielzahl von Düsen unter Einschluß der Düsen 26, 28 gezogen. Dieser Typ einer Quelle ist im US-Patent 4 680 224 (Ausgabetag 14. Juli 1987) ausführlicher beschrieben. Auf diese Druckschrift wird durch Verweis Bezug genommen.
Eine weitere Ausführungsform der Quelle 20 ist in Fig. 5 gezeigt. Diese Ausführungsform geht von einer oder mehreren Bändern oder anderen Formen von Prepreg-Material aus, d.h. einem Material, das bereits zu einem verstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff geformt worden ist. Dieses Material wird durch eine Heiz- und Verfestifigungseinrichtung 50 gezogen, wo die einzelnen Komponenten des Prepregs erwärmt und zu einem einzelnen, vereinigten Körper 52, der die Einrichtung 50 verläßt, verfestigt. Wie bei den in Fig. 4 gezeigten Komponenten handelt es sich bei den Komponenten von Fig. 5 um herkömmliche, aus dem Stand der Technik bekannte Typen. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Prepreg handelt es sich in einer bevorzugten Ausführungsform um ein Poly-(arylensulfid)-Prepreg.
Die Vorrichtung 18 kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden, wobei es sich um ein allgemeines Verfahren zur Herstellung eines verstärkten thermoplastischen Gegenstands handelt. Dieses Verfahren umfaßt breit gesprochen folgende Stufen: (a) Durchziehen eines länglichen Körpers aus verstärktem thermoplastischen Material durch eine Vielzahl von Düsen; und (b) Betätigen der Vielzahl von Düsen unabhängig voneinander in der Weise, daß eine beliebige Kombination der Düsen ausgewählt werden kann, die auf den länglichen Körper einwirkt, um zumindest einem Teil des Körpers die Querschnittform der einen oder mehreren ausgewählten Düsen zu verleihen. Das erfindungsgemäße Verfahren, durch das ein längliches thermoplastisches Produkt mit unterschiedlichen Querschnittformen in einem Pultrusionsverfahren hergestellt wird, umfaßt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform folgende Stufen: (a) Ausbilden der Länge des thermoplastischen Produkts mit einer ersten Querschnittform; (b) Umwandeln von mindestens einem Teil der Länge des thermoplastischen Produkts mit der ersten Querschnittform zu einer zweiten Querschnittform; und (c) Abbrechen von Stufe (b) unter Weiterführung von Stufe (a), so daß ein Abschnitt der Länge des thermoplastischen Produkts die zweite Querschnittform aufweist und ein Endabschnitt der Länge des thermoplastischen Produkts die erste Querschnittform aufweist. Unter Bezugnahme auf die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung 18 wird die erste Querschnittform gebildet, indem man das endlose verstärkte thermoplastische Material aus der Quelle 20 durch die Düse 26 zieht und sodann die Stufe (b) durchführt, indem man das verstärkte thermoplastische Material durch die Düse 28 zieht. Wird das Verfahren an dieser Stelle gestoppt, so ist ersichtlich, daß der Bereich des pultrudierten Gegenstands am Auslaß der Düse 28 eine bestimmte Querschnittform (z.B. die in Fig. 1 gezeigte kreisförmige Querschnittform) aufweist und der Teil des pultrudierten Gegenstands am Auslaß der Düse 26 eine andere Querschnittform aufweist (z.B. die in Fig. 1 gezeigte quadratförmige Querschnittform). Dies bedeutet, daß die einzelnen Abschnitte an den Auslässen der einzelnen Düsen Querschnittformen aufweisen, die den Formen der Düsen entsprechen, wenn die einzelnen Düsen auf den pultrudierten Körper einwirken.
Solange bei dem Verfahren zumindest die am weitesten stromabwärts gelegene Düse auf das pultrudierte Material einwirkt, weist der durch die Zieheinrichtung 30 in Richtung zur Schneideeinrichtung 34 gezogene Gegenstand die durch die am weitesten stromabwärts gelegene Düse verliehene Form auf. Dies ist jedoch nicht der einzige Vorgang, der erfindungsgemäß erfolgt, vielmehr wird auch noch die vorstehend erwähnte Stufe (c) durchgeführt. Dies bedeutet, daß eine oder mehrere der am weitesten stromabwärts gelegenen Düsen von einer Einwirkung auf das pultrudierte Material abgehalten werden (typischerweise durch Öffnen der Düse), während mindestens eine der übrigen Düsen weiterhin den pultrudierten Körper bearbeitet oder anschließend zur Bearbeitung des Körpers betätigt wird. Bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung 18 wird die Düse 28 geöffnet und das verstärkte thermoplastische Material aus der Quelle 20 durch die geschlossene oder in Betrieb befindliche Düse 26 gezogen, so daß das erhaltene verstärkte thermoplastische Material, das die Zieheinrichtung 30 durchläuft, in einstückiger Weise in einem Teil die durch die Düse 28 verliehene Querschnittform und in einem weiteren Teil die durch die Düse 26 verliehene Querschnittform aufweist, wobei ein endloser verstärkter thermoplastischer Gegenstand von variablen Querschnittformen in einem kontinuierlichen Pultrusionsverfahren geformt wird.
Eine allgemeinere Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt folgendes: (a) Ziehen eines endlosen verstärkten thermoplastischen Materials durch eine erste Düse mit einer ersten Querschnittform, wobei die erste Düse geschlossen ist, so daß das verstärkte thermoplastische Material am Auslaß der ersten Düse eine Querschnittform aufweist, die der ersten Querschnittform entspricht; und (b) Öffnen der ersten Düse und Durchziehen des verstärkten thermoplastischen Materials durch eine zweite Düse mit einem zweiten Querschnitt, wobei die zweite Düse geschlossen ist, so daß das verstärkte thermoplastische Material in einstückiger Weise so geformt wird, daß ein Teil davon eine mit der ersten Querschnittform identische Querschnittform und ein weiterer Teil eine mit der zweiten Querschnittform identische Querschnittform aufweist, wodurch ein endloser verstärkter thermoplastischer Gegenstand von variabler Querschnittform gebildet wird. Bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung kann es sich bei der hier angegebenen "ersten Düse" entweder um die Düse 26 oder um die Duse 28 handeln, während es sich bei der "zweiten Düse" jeweils um die andere Düse handelt. Somit umfaßt diese Definition die Herstellung des Gegenstands mit einer oberstromigen oder einer unterstromigen Form zu Beginn und der anderen Form am Ende. Dies bedeutet unter Bezugnahme auf Fig. 1, daß dieses Verfahren die Herstellung des Gegenstands in der abgebildeten Form oder alternativ mit dem Abschnitt 6 zu Beginn und dem Abschnitt 4 am Ende umfaßt. Somit muß eine stromabwärts gelegene Düse nicht immer eine oberstromige Form umwandeln. Beispielsweise kann die Form 26 allein auf das thermoplastische Material einwirken und anschließend die Düse 28 allein zur Bearbeitung des thermoplastischen Materials betätigt werden oder umgekehrt. Dies ist jedoch selbstverständlich nicht auf nur zwei Düsen begrenzt.
In Bezug auf die Verwendung einer Vielzahl an Düsen n läßt sich eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bildung eines endlosen verstärkten thermoplastischen Gegenstands mit variablem Querschnitt folgendermaBen beschreiben: (a) Ein endloser Körper aus verstärktem thermoplastischen Material wird durch eine Mehrzahl (n) von Düsen gezogen, wobei jede Düse die jeweilige Querschnittform aufweist und wobei die n. Düse die letzte Düse ist, durch die der Körper des verstärkten thermoplastischen Materials gezogen wird; (b) mit den n Düsen werden gleichzeitig unterschiedliche Bereiche des Körpers aus dem verstärkten thermoplastischen Material gebildet, die die den einzelnen Düsen entsprechenden Querschnittformen aufweisen, wobei der Anfangsteil des Körpers des verstärkten thermoplastischen Materials die durch die n. Düse verliehene Form aufweist; und (c) mindestens die Einwirkung der n. Duse auf den Körper des verstärkten thermoplastischen Materials wird gestoppt, so daß das Anfangsteil des Körpers sodann einen vorderen Abschnitt mit einer durch die n. Düse gebildeten Querschnittform und einen einstückig damit ausgebildeten Fortsetzungsabschnitt mit unterschiedlicher Querschnittform aufweist. Wenn n den Wert 3 hat, so entsteht beispielsweise eine Ausführungsform der in Fig. 2 gezeigten Art, wenn die drei Düsen die in Fig. 2 dargestellten Formen bewirken. Die am weitesten stromabwärts gelegene Düse weist dann die Querschnittform auf, mit der die Form des Abschnitts 12 hervorgerufen wird, die dazwischenliegende Düse ruft die Form des Abschnitts 14 hervor und die am weitestens stromaufwärts gelegene Düse ruft die Querschnittform des Abschnitts 16 hervor. Zur Bildung des in Fig. 2 gezeigten Körpers 10 wirkt zu Beginn mindestens die am weitesten stromabwärts gelegene Düse auf das pultrudierte Material ein. Die Einwirkung dieser am weitesten stromabwärts gelegenen Düse auf das pultrudierte Material wird sodann eingestellt, während mindestens die dazwischenliegende Düse dann auf das pultrudierte Material einwirkt. Schließlich wird die Einwirkung der dazwischenliegenden Düse auf das pultrudierte Material eingestellt und nur mehr die am weitesten stromaufwärts gelegene Düse wirkt auf das Material ein. Dadurch wird der in Fig. 2 gezeigte Bereich des Körpers 10 gebildet. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß solche drei Düsen auch in anderen Kombinationen unter Bildung von Querschnittformen in Reihenfolgen, die von der von Fig. 2 abweichen, eingesetzt werden können.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen ferner Stufen, die den unterschiedlichen Wegen zur Bildung des verstärkten thermoplastischen Materials entsprechen, das durch die in den Figuren 4 und 5 gezeigten Komponenten dargestellt ist. Dies bedeutet, daß bevorzugte Ausführungs formen des Verfahrens die Stufe der Bildung des verstärkten thermoplastischen Materials umfassen, wobei das Material in einer der beiden Arten, die unter Verwendung der in Figuren 4 und 5 gezeigten Vorrichtung durchführbar sind, durch die Düsen gezogen wird. Das mit der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform durchgeführte Verfahren umfaßt die Kombination eines Faserstrangs mit einer Poly-(arylensulfid)-Matrix in einer bevorzugten Ausführungsform. Bei der in Stufe 5 gezeigten Ausführungsform wird die Stufe zur Bildung des verstärkten thermoplastischen Materials durchgeführt, indem man eine Vielzahl von Frepreg-Elementen, die vorzugsweise faserverstärktes Poly-(arylensulfid) umfassen, erwärmt und verfestigt.
Eine bevorzugte Ausführungsform umfaßt ferner eine Stufe, bei der der endlose, verstärkte thermoplastische Gegenstand in Stücke mit einer oder mehreren ausgewählten Querschnittformen zerschnitten wird. Dies wird in der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung 18 durch die Schneideeinrichtung 34 bewerkstelligt.
Somit ist es erfindungsgemäß möglich, eine thermoplastische Verbundstruktur, die variierende Querschnittformen aufweist, durch Pultrudieren herzustellen. Aufgrund der Umformung des Materials im Verfahren und in der Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Erfindung, ist die Erfindung besonders geeignet für thermoplastische Materialien im Gegensatz zu hitzehärtenden Materialien, die nicht auf diese Weise umgeformt werden können. Die vorliegende ermöglicht einfache Veränderungen von Querschnittformen innerhalb eines einstückig pultrudierten Gegenstands, der die vorstehend erwähnten Anforderungen erfüllt. Somit eignet sich die vorliegende Erfindung in günstiger Weise zur Lösung der vorstehend erwähnten Ziele und zur Erzielung der vorerwähnten und anderer naturgegebener Vorteile.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines verstärkten thermoplastischen Gegenstands in einem Pultrusionsverfahren, das folgende Stufen umfaßt:

(a) Durchziehen eines länglichen Körpers aus verstärktem thermoplastischen Material durch eine Mehrzahl von Düsen;

(b) Betätigen der Mehrzahl von Düsen unabhängig voneinander, dadurch gekennzeichnet,

daß die Düsen unabhängig voneinander in der Weise betätigt werden, daß eine beliebige Kombination der Düsen mit unterschiedlicher Querschnittform ausgewählt werden kann, die dann auf den länglichen Körper einwirken und mindestens einem Teil des Körpers die Querschnittform der einen oder mehreren ausgewählten Düsen verleihen, wodurch ein thermoplastischer Gegenstand mit unterschiedlichen Querschnittformen gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrieb der Düsen unabhängig voneinander folgendes umfaßt:

(a) Ausbilden einer Teilstrecke eines thermoplastischen Produkts mit einer ersten Querschnittform;

(b) Umwandeln von mindestens einem Teil der Teilstrecke des thermoplastischen Produkts mit der ersten Querschnittform in eine zweite Querschnittform; und

(c) Abbrechen der Stufe (b) unter Fortsetzung der Stufe (a) so daß ein Abschnitt der Teilstrecke des thermoplastischen Produkts die zweite Querschnittform und ein Fortsetzungsabschnitt der Teilstrecke des thermoplastischen Produkts die erste Querschnittform aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Stufen (a) und (b) durchgeführt werden, indem man ein endloses verstärktes thermoplastisches Material nacheinander durch mindestens zwei geschlossene Düsen zieht, wobei die erste Düse eine erste Querschnittform und die zweite Düse eine zweite Querschnittform aufweist, so daß das verstärkte thermoplastische Material am Auslaß der zweiten Düse eine der zweiten Querschnittform entsprechende Querschnittform aufweist; und

wobei das Abbrechen der Stufe (c) durchgeführt wird, indem man die zweite Düse öffnet und weiterhin das verstärkte thermoplastische Material durch die geschlossene erste Düse zieht, so daß das verstärkte thermoplastische Material in einstückiger Ausbildung einen Bereich mit einer Querschnittform, die der zweiten Querschnittform entspricht und einen Bereich mit der Querschnittform, die der ersten Querschnittform entspricht, aufweist, wodurch ein endloser verstärkter thermoplastischer Gegenstand mit variabler Querschnittform gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrieb der Düsen unabhängig voneinander folgendes umfaßt:

(a) Durchziehen eines endlosen verstärkten thermoplastischen Materials durch eine erste Düse mit einer ersten Querschnittform, wobei die erste Düse geschlossen wird, so daß das verstärkte thermoplastische Material am Auslaß der ersten Düse eine Querschnittform aufweist, die der ersten Querschnittform entspricht; und

(b) Öffnen der ersten Düse und Durchziehen des verstärkten thermoplastischen Materials durch eine zweite Duse mit einer zweiten Querschnittform, wobei die zweite Düse geschlossen wird, so daß das verstärkte thermoplastische Material in einstückiger Ausbildung einen Bereich mit der der ersten Form entsprechenden Querschnittform und einen Bereich mit der der zweiten Querschnittform entsprechenden Querschnittform aufweist, wodurch ein endloser verstärkter thermoplastischer Gegenstand mit variabler Querschnittform gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betrieb der Düsen unabhängig voneinander folgendes umfaßt:

(a) Durchziehen eines endlosen Körpers aus verstärktem thermoplastischen Material durch eine Vielzahl (n) von Düsen, wobei die einzelnen Düsen eine jeweilige Querschnittform aufweisen, wobei die n. Düse die letze Düse darstellt, durch die der Körper des verstärkten thermoplastischen Materials gezogen wird;

(b) gleichzeitiges Bilden mit den n Düsen von unterschiedlichen Bereichen des Körpers aus dem verstärkten thermoplastischen Material, die die jeweilige Querschnittform der einzelnen Düsen aufweisen, wobei der Anfang des Körpers aus dem verstärkten thermoplastischen Material die durch die n. Düse verliehene Form aufweist; und

(c) Abbrechen der Einwirkung von mindestens der n. Duse auf den Körper aus dem verstärkten thermoplastischen Material, so daß der Anfang des Körpers einen vorderen Abschnitt mit einer durch die n. Düse gebildeten Querschnittform und einen einstückig damit ausgebildeten Fortsetzungsabschnitt von unterschiedlicher Querschnittform aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Stufe, bei der der endlose verstärkte Kunststoffgegenstand in Stücke geschnitten wird, die jeweils eine oder mehrere ausgewählte Querschnittformen aufweisen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend eine Stufe, bei der das verstärkte thermoplastische Material aus einem Faserstrang mit einer Poly-(arylensulfid)-Matrix gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend die Stufe, bei der der Körper des verstärkten thermoplastischen Materials durch Erwärmen und Verfestigen einer Vielzahl von Prepreg-Elementen gebildet wird.

9. Fertigungsgegenstand, umfassend einen pultrudierten thermoplastischen Verbundkörper mit mindestens zwei einstückig ausgebildeten Abschnitten von unterschiedlichen Querschnittformen, der einen Faserstrang in einer Poly-(arylensulfid)-Matrix aufweist.

10. Vorrichtung zur Herstellung eines verstärkten thermoplastischen Gegenstands durch ein Pultrusionsverfahren, umfassend:

- eine Quelle (20) von verstärktem thermoplastischen Material, das von einer stromaufwärts gelegenen Position (22) zu einer stromabwärts gelegenen Position (24) gezogen wird;

- eine erste Endformgebungs-Düseneinrichtung (26), die stromabwärts von der Quelle (20) für verstärktes thermoplastisches Material angeordnet ist;

- eine zweite Endformgebungs-Düseneinrichtung (28), die stromabwärts von der ersten Endformgebungs-Düseneinrichtung (26) angeordnet ist;

- eine Zieheinrichtung (30), die stromabwärts von der zweiten Endformgebungs-Düseneinrichtung (28) angeordnet ist, mit der aus der Quelle (20) ein länglicher Körper (31) aus verstärktem thermoplastischem Material durch die erste und zweite Endformgebungs-Düseneinrichtung gezogen wird; und

- eine Einrichtung (32) zur unabhängigen Betätigung der ersten und zweiten Endformgebungs -Düseneinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Endformgebungs-Düseneinrichtung (26) befähigt ist, dem durchgezogenen, verstärkten thermoplastischen Material eine erste Querschnittform zu verleihen; die zweite Endformgebungs-Düseneinrichtung (28) befähigt ist, dem durchgezogenen, verstärkten thermoplastischen Material eine zweite Querschnittform zu verleihen; und

die Betätigungseinrichtung (32) eine Steuerungsvorrichtung zur unabhängigen Betätigung der ersten und zweiten Endformgebungs-Düseneinrichtung umfaßt, so daß eine beliebige Kombination der ersten und zweiten Formgebungs-Düseneinrichtung ausgewählt werden kann, die dann auf den länglichen Körper einwirkt, um ihm zumindest in einem Teilbereich die Querschnittform der einen oder mehreren ausgewählten ersten und zweiten Endformgebungs-Düseneinrichtungen zu verleihen, wodurch ein thermoplastischer Gegenstand mit unterschiedlichen Querschnittformen gebildet wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Schneideeinrichtung (34) zum Zerschneiden des Körpers (31) unter Bildung von diskreten Segmenten mit mehreren, integrierten Querschnittformen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Quelle (20) aus verstärktem thermoplastischem Material einen Faserstrang und eine Poly- (arylensulfid)-Matrix umfaßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Quelle (20) aus verstärktem thermoplastischem Material ein Poly-(arylensulfid)- Prepreg umfaßt.