EP1245775B1

EP1245775B1 - Kunststoffprofil

Info

Publication number: EP1245775B1
Application number: EP02003876.6A
Authority: EP
Inventors: Wilfried Ensinger; Michael Koch
Original assignee: Ensinger GmbH
Current assignee: Ensinger GmbH
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: ES2533439T3; PT1245775E; DE10116049A1; EP1245775A2; DE10116049B4; EP1245775A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Metall-Kunststoffverbundprofil mit einem Isoliersteg in Form eines Kunststoffprofils, welches gegebenenfalls mit einer oder mehreren, parallel zur Längsrichtung des Profils verlaufenden Hohlkammern ausgebildet ist.
Kuntstoffprofile sind in vielfältiger Weise bekannt und werden beispielsweise als Bauelemente (z. B. Rahmenprofile) zur Herstellung von Fenstern, Fensterwänden, Türen, Fassadenelementen etc. eingesetzt, insbesondere auch als Elemente für die Herstellung von Rahmenprofilen.
Bei diesen Einsatzzwecken werden die Kunststoffprofile konstruktiv so ausgebildet, dass sie Druck- und Zugspannungen sowie Biegemomente bei begrenzter Durchbiegung aufnehmen bzw. übertragen können. EP 0063234 A1 zeigt ein solches Kunststoffprofil.
Um eine ausreichende Steifigkeit zu erzielen, werden die als Rahmenprofile eingesetzten Profile im Nachhinein noch durch einzuschiebende Metallprofile versteift.
Darüber hinaus konnte man bei Rahmenprofilen in gewissen Grenzen den mechanischen Anforderungen auch dadurch Rechnung tragen, dass der Profilquerschnitt vergrößert wurde, was bei glastragenden Konstruktionen jedoch nachteilig ist, da der Rahmenanteil vergrößert und der Glasanteil verkleinert wird.
Durch die Wahl des zu verwendenden Materials wurde jedoch bereits schon die maximale Belastung für das Bauteil und damit die maximale Baugröße, z.B. eines Fensters festgelegt.
Sollten dann höhere zu übertragende Lasten aufzunehmen sein, war es insbesondere bei der Verwendung von Kunststoffprofilen und kurzfaserverstärkten Thermoplasten notwendig, Metallprofile oder Pultrudate zur Verstärkung in den Innenbereich von Hohlkammer(n) einzuschieben.
Insgesamt führt dies zu deutlich komplexeren und aufwendigeren Herstellungsmethoden und erschwert das immer mehr geforderte einfache Recycling der Profile nach der Nutzungsdauer des jeweiligen Bauteils.
Problematisch in der Verarbeitung solcher Profile ist auch, dass die Verstärkungen bei der Ausbildung von Eckbereichen nicht wie das Profil selbst verschweißt werden können, sondern entweder ohne Verbindung bleiben müssen oder aber mit einer separaten Technologie unter Verwendung von aufwändigen Eckverbindungselementen hergestellt werden müssen.
Kunststoffprofile als Isolierstege waren bisher auf Grund mangelnder mechanischer Festigkeit in ihrer Funktion darauf beschränkt, einen definierten Abstand von Metallprofilen sicherzustellen. Sie konnten deshalb bei statischen Berechnungen als Einzelbauelement keine Berücksichtigung finden. Ein derartiger Isoliersteg ist z.B. aus DE 4409315 A1 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Metall-Kunststoffverbundprofil vorzuschlagen, welches auf einem Kunststoffprofil basiert, das mit einem einfachen Herstellungsverfahren produziert werden kann, welches auch bei der Weiterverarbeitung einfach zu handhaben ist und als Einzelbauelement bei statischen Berechnungen Berücksichtigung finden kann.
Diese Aufgabe wird von einem Metall-Kunststoffverbundprofil gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das Teilvolumen bzw. die Teilvolumina werden so ausgewählt und so angeordnet, dass

(a) eine maximale Biegesteifigkeit des Kunststoffprofils resultiert und
(b) eine minimale Beeinträchtigung des Wärmewiderstandes verursacht wird.

Bevorzugt werden die kontinuierlichen Faserstränge in zwei parallelen Außenwänden des Profils einextrudiert.
Bei Bedarf kann ein kontinuierlicher Faserstrang auch in einer lasttragenden Querwand des Profils einextrudiert werden.
Wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auf das Einextrudieren von einem Faserstrang abgestellt wird, so ist dies stets so zu verstehen, dass mindestens ein Faserstrang, bei Bedarf aber auch zwei oder mehr Faserstränge in derselben Wand einextrudiert werden können.
Die erfindungsgemäß verwendeten Faserstränge in Form von Faserbändern werden durch das Zusammenfassen eines Bündels an Verstärkungsfasern erhalten, welche von einer Matrix eines ersten Kunststoffmaterials zusammengehalten werden.
Dies lässt sich durch Imprägnieren des Bündels an zunächst losen Verstärkungsfasern mit dem ersten Kunststoffmaterial erreichen oder aber indem man die Verstärkungsfasern mit Kunststofffasern mischt und letztere beim Durchführen des gesamten Faserbündels durch eine Heizstation aufschmilzt, so dass die Kunststofffasern eine die Verstärkungsfasern zusammenhaltende Matrix bilden.
Die Fasern für die Faserstränge sind nicht notwendigerweise Endlosfasern, sondern können auch in Form von Rovings, Matten, Geflechte oder dergleichen vorgelegt und verarbeitet werden.
Faserstränge lassen sich bei der Herstellung des Kunststoffprofils je nach Art und Ausmaß der zu erwartenden mechanischen Belastungen des Bauteils in eine oder mehrere Last tragende Wände des Profils einarbeiten, ohne dass bei höheren Beanspruchungen die Geometrie des Bauteils selbst geändert werden müßte.
Darüber hinaus besteht durch die entsprechende Wahl der Fasermaterialien des Faserstrangs zusätzlich die Möglichkeit, die mechanische Festigkeit des aus den Profilen hergestellten Bauteils ohne Geometrieänderung am Bauteil zu verändern.
Eine weitere Anpassung der Festigkeitswerte des Kunststoffprofils an die jeweiligen Anforderungen lässt sich durch die Änderung der Anzahl der in einer Last tragenden Wand oder mehreren Wänden angeordneten Faserstränge zusätzlich erzielen.
Schließlich kann auch noch die Zahl der Fasern pro Faserstrang variiert werden, um geänderten Festigkeitsanforderungen nachzukommen.
Damit lässt sich bei dem erfindungsgemäß verwendeten faserverstärkten Kunststoffprofil das Produkt aus E-Modul und Trägheitsmoment auf den jeweiligen Einsatzzweck hin präzise einstellen, ohne dass Änderungen an der Geometrie des Kunststoffprofiles oder gar dessen Größe notwendig sind.
Häufig werden die erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofile als Kunststoffhohlprofile vorliegen, wobei die Last tragende Wand eine Außenwand der Hohlkammer oder einer der Hohlkammern eines solchen Profils ist.
Aufgrund der erzielbaren mechanischen Festigkeiten der erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofile eignen sich diese insbesondere zur Realisierung von Last tragenden Konstruktionen auf die lediglich noch z.B. metallische Abdeckblenden auf der Innen- und Außenseite montiert werden müssen.
Darüber hinaus fungieren die erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofile als Isolierstege für Metallprofilkonstruktionen, insbesondere für Rahmenkonstruktionen. Hierbei haben die erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofile gegenüber den herkömmlichen Isolierstegen den Vorteil, dass die erfindungsgemäß verwendeten aufgrund ihrer höheren mechanischen Festigkeit als Konstruktionselement bei statischen Berechnungen mit ihrem Trägheitsmoment Berücksichtigung finden, so dass die Metallprofile kleiner dimensioniert werden können.
Dies führt nicht nur zu einer Einsparung von Materialkosten, sondern auch zu einem geringeren Gewicht der Gesamtkonstruktion.
Bei Rahmenkonstruktionen mit Isolierglasfüllung (Fenster, Türen etc.) können die erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofile den Abstandshalter für die Glasscheiben integral enthalten, so dass gegebenenfalls zur Fertigstellung des Bauteils lediglich noch Abdeckblenden auf den erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofilen zu montieren sind.
Darüber hinaus kann das Innere des Hohlprofils, in welches im Stand der Technik die Metallprofile eingeschoben wurden, durch das Vorsehen von mehreren Längsstegen weiter in eine Mehrzahl von Hohlkammern unterteilt werden, was zum einen einen zusätzlichen Festigkeitsgewinn ergibt und außerdem zusätzliche erhebliche Vorteile in den Wärmedämmwerten.
Das erfindungsgemäß verwendete Kunststoffprofil kann ohne die übliche Metallverstärkung oder auch in den Kunststoff eingebettete vereinzelte Fasern auskommen und hat aufgrund der Konzentration der Faserverstärkung auf Faserstränge, beispielsweise in außen liegenden Wänden, bereits erheblich bessere Wärmedämmwerte, insbesondere auch deshalb, weil eingeschobene Metallprofile zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften entfallen.
Die Faserstränge werden beispielsweise in Form von Bändern eingesetzt und können so mit einer minimalen Abmessung in Richtung des Wärmetransports durch das Profil im Einsatzfall mit geringsten Wärmeleitfähigkeitswerten ausgestattet werden, ohne dass dadurch die mechanischen Eigenschaften, die für den Einsatzzweck erforderlich sind, leiden müssen. Die Faserstränge sind dabei bevorzugt vorgefertigte Elemente mit oder ohne einem verträglichen oder unverträglichen Kunststoff versehen und gegebenenfalls mit einem Haftvermittler behandelt.
Das Fehlen der Metallverstärkung macht sich darüber hinaus mit einem geringeren Gewicht sowie der Möglichkeit, schmalere Ansichtsbreiten beim Profil realisieren zu können, bemerkbar.
Zur Ausbildung der Kunststoffprofile wird ein zweites Kunststoffmaterial verwendet, welches mit dem ersten Kunststoffmaterial der Faserstränge verträglich ist. Im einfachsten Fall kann das erste und das zweite Kunststoffmaterial vom selben Typ oder gar identisch sein.
Außerdem gelingt hier ein sortenreines Recycling.
Die erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofile werden bevorzugt in zwei im wesentlichen parallelen Außenwänden des Profils mit einem kontinuierlichen Faserstrang verstärkt sein.
Die Verstärkungsfasern lassen sich auswählen aus Glasfasern, Kohlefasern, Metallfasern und Synthesefasern, insbesondere Aramidfasern.
Die erfindungsgemäß zum Einsatz gelangenden Kunststoffprofile eignen sich insbesondere zur Herstellung von Rahmenkonstruktionen, Fenstern, Türen und Fassaden, einschließlich dreidimensionaler Fassaden und Glasdachkonstruktionen, wobei die erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofile nicht nur als Isolierstege für Metall-Kunststoffverbundprofile, sondern auch als Rahmenprofile für die Glaselemente verwendet werden können und darüber hinaus auch als Last tragende Konstruktionselemente, wie weiter oben bereits erwähnt.
Durch die entsprechende Auswahl des Kunststoffes können auch solche Anwendungsfelder abgedeckt werden, bei denen erheblich höhere Temperaturen auftreten als dies bei den bisherigen Kunststoffprofilen der Fall war, insbesondere können Temperaturbereiche deutlich oberhalb von 80°C abgedeckt werden.
Dies entspricht beispielsweise Dachkonstruktionen, die einer verstärkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind.
Die Verstärkung mittels der Faserstränge sorgt zudem für eine Verringerung des Ausdehnungskoeffizienten, was insbesondere die Verwendung von den erfindungsgemäßen Kunststoffprofilen in größeren Fensterwänden, großflächigen Fassaden oder dreidimensionalen Konstruktionen verbessert.
Gleichzeitig lässt sich mit den erfindungsgemäßen Kunststoffprofilen auch die Einbruchhemmung gegenüber Fenstern aus metallischen Materialien (Aluminium und Stahl) verbessern. Dasselbe gilt für die Durchschußhemmung, da die erfindungsgemäßen polymeren Werkstoffe gute Energieabsorber darstellen.
Letztere Eigenschaft ist bei den erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofilen besonders ausgeprägt, so dass sich diesen Profilen weitere Anwendungsgebiete erschließen, in denen es besonders auf die Energieabsorbereigenschaft ankommt. Beispielhaft seien hier energieabsorbierende Bauteile in Kraftfahrzeugen genannt, insbesondere Konstruktionselemente in den Aufprallbereichen/ Knautschzonen der Fahrzeuge.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Kunststoffprofile beinhaltet in einem ersten Schritt das Imprägnieren der ausgewählten Verstärkungsfaserstränge mit einem ersten Kunststoffmaterial und danach das Koextrudieren dieser vorbereiteten Verstärkungsfaserstränge mit einem zweiten, mit dem ersten Kunststoffmaterial verträglichen Kunststoffmaterial zu den Kunststoffprofilen.
Wie zuvor erwähnt, sind die Kunststofffaserstränge vorzugsweise in einer oder mehreren Außenwänden des Profils angeordnet, da sie dort am besten zur Erhöhung der mechanischen Festigkeiten des Profils beitragen können. Bei Bedarf können Faserstränge auch in Querwänden des Profils einextrudiert werden.
Erfindungsgemäß wird das Produkt von E-Modul und Trägheitsmoment für das jeweilige Profil durch die Anordnung des oder der Faserstränge im Profil, durch die Anzahl der Faserstränge und/ oder durch die Wahl der Fasermaterialien des Faserstrangs bei vorgegebener Profilgeometrie auf einen vorgegebenen Wert eingestellt.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:

Figur 1:: eine schematische Darstellung einer Produktionsanlage für Kunststoffhohlprofile für erfindungsgemäße Metall-Kunststoffverbundprofile;
Figur 2:: ein erfindungsgemäß im Verbund mit einer Metallprofilkonstruktion verwendetes Kunststoffhohlprofil;
Figur 3:: ein weiteres erfindungsgemäß im Verbund mit einer Metallprofilkonstruktion verwendetes Kunststoffhohlprofil; und
Figuren 4 bis 6:: ein alternatives erfindungsgemäß im Verbund mit einer Metallprofilkonstruktion gemäß Figur 3 verwendbares Kunststoffhohlprofil.

Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 200, mit der in einem kontinuierlichen Verfahren erfindungsgemäß verwendbare Hohlprofile herstellbar sind, wobei kontinuierlich gearbeitet werden kann. Die gesonderten Schritte der Herstellung der imprägnierten Faserbänder sind in die Vorrichtung integriert, so dass die Faserbänder direkt aus der Herstellung in die Extrusion der Profile einlaufen und dort ohne Zwischenlagerung verwertet werden können.
Die Vorrichtung 200 beinhaltet einen Vorrat an Faserspulen 202, welche in einer Imprägnierstation 204 zu zwei Faserbändern zusammengefaßt und dort jeweils separat mit einem ersten Kunststoffmaterial imprägniert werden.
Aus der Imprägnierstation 204 laufen die beiden Faserbänder in Kanälen 206 und 207 in ein Formwerkzeug 208 ein, welches beispielsweise nach dem Verfahren und der Vorrichtung, wie sie in der DE 38 01 574 beschrieben ist, arbeitet.
Das Formwerkzeug 208 wird zusätzlich seitlich mit schmelzflüssigem Kunststoff eines zweiten mit dem ersten Material verträglichen Kunststoffmaterials aus einem Extruder 210 versorgt, so dass dann die in das zweite Kunststoffmaterial eingebetteten Faserbänder das Formwerkzeug 208 in das erfindungsgemäße Kunststoffprofil 212 (nur schematisch dargestellt) integriert verlassen.
Obwohl hier nur die Vorrichtung in der Weise beschrieben ist, dass sie zwei Faserbänder in das erfindungsgemäß verwendbare Kunststoffhohlprofil 212 integriert, ist doch leicht vorstellbar, dass komplexere oder weitere Imprägnierstationen 204 dem Formwerkzeug 208 vorgeschaltet werden können und so in dem Umfang wie vonnöten Faserbänder in das erfindungsgemäß verwendbare Kunststoffhohlprofil eingearbeitet werden können.
Entsprechend der Zahl der Fasern, die im einzelnen Faserband verwendet werden sollen, wird die Zahl der Vorratsspulen 208 vergrößert bzw. verkleinert, so dass auch diesbezüglich die Anpassung des Produkts aus E-Modul und Trägheitsmoment an die geforderten Eigenschaften des Kunststoffhohlprofils angepaßt werden können.
Schließlich ist in Figur 1 auch ersichtlich, dass die weitere Anpassung des Kunststoffhohlprofils in seinen Eigenschaften an die im Einsatz gestellten Anforderungen sehr einfach dadurch realisiert werden kann, dass man die Vorratsspulen 202 durch Vorratsspulen mit anderen Fasern, die andere mechanische Eigenschaften aufweisen, bewerkstelligen kann.
Figur 2 zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 230 bezeichnete erfindungsgemäße Verbundkonstruktion aus einem Isoliersteg 232, einem metallischen Hohlprofil 234 und einem metallischen Flachprofil 236. Der Isoliersteg 232 weist an allen vier Eckbereichen 238 angeformte im Querschnitt schwalbenschwanzförmige Rippen 239 auf, welche in komplementäre Schwalbenschwanzführungen 240, 241 der Hohl- bzw. Flachprofile 234, 236 eingreifen.
Der dabei erhaltene Verbund kann insgesamt, d. h. auch mit dem Isoliersteg Kräfte aufnehmen, so dass bei der Konzeption der metallischen Bauteile 234 und 236 die von dem Isoliersteg aufgenommenen Kräfte in Abzug gebracht werden können.
Der Verbund wird schubfest ausgeführt. Dies bedeutet einen Zuwachs an mechanischer Festigkeit und die Option, die Abmessungen der Metall-Bauteile für den vorgesehenen Einsatzzweck zu minimieren.
Figur 3 zeigt schematisch eine gegenüber der Konstruktion der Figur 2 gleichartig gestaltete erfindungsgemäße Verbundprofilkonstruktion 250 mit einem metallischen Hohlprofil 234 und einem Flachprofil 236, welche beide miteinander durch zwei Isolierstege 252, 253 verbunden und auf Abstand gehalten sind. Diese Isolierstege lassen sich durch verschiedene Ausführungsformen von erfindungsgemäß zu verwendenden Kunststoffprofilen ersetzen, beispielsweise durch die in den Figuren 4 bis 6 dargestellten. Figur 4 zeigt einen Isoliersteg 254, der an Stelle der Isolierstege 252, 253 treten kann und der in Außenwänden 256, 257 Faserstrangverstärkungen 258, 259 einextrudiert enthält. Ferner ist der Innenraum des Hohlprofils 254 mit Stegen 260 unterteilt um den Wärmetranport durch Konvektion zu reduzieren. Gleichzeitig tragen die Stege zu einer Aussteifung des Hohlprofils 254 bei und erhöhen dessen Trägheitsmoment. Alternativ können die Stege 252, 253 in Figur 3 durch erfindungsgemäße Flachprofile 270 ersetzt werden, wie sie in Figur 5 gezeigt sind. Dieses Profil 270 weist eine Last tragende Wand 272 in Form eines Steges auf der sich zwischen den Schwalbenschwanz-Fußleisten 274, 275 des Profils 270 erstreckt. Faserverstärkungen in Form der Faserstränge 276, 277 werden erfindungsgemäß in der Last tragenden Wand 272 einextrudiert. Dabei können sich die Faserstränge wie im Falle des Faserstrangs 276 bis in den Bereich der Fußleiste 274 hinein erstrecken oder aber ausschließlich im Wandbereich 272 angeordnet sein, wie im Falle des Faserstrangs 277. Die Wahl der Anordnung hängt von der Art der Beanspruchung des Isolierstegs 270 ab und der Funktion den dieser im Gesamtverbund mit den Metallprofilen 234 und 236 zu erfüllen hat.
Schließlich sei als weitere Variante die eine Isolierstegkonstruktion erläutert wie sie in Figur 6 ersichtlich ist. Hier wird ein Isoliersteg 280 von zwei Bauelementen 282, 283 gebildet, welche erfindungsgemäß verwendbare Kunststoffprofile darstellen. Diese sind identisch aufgebaut und drehsymmetrisch angeordnet und ergänzen einander zu einem Isoliersteg 280 der in seinem Aufbau dem Isoliersteg 230 der Figur 2 ähnelt. Das einzelne Bauelement 282 bzw. 283 ist aus einer Wand 284 aufgebaut welche oben und unten Schwalbenschwanzleisten trägt, mit welchen ein kraft- und/oder formschlüssiger oder gleitender Verbund mit Metallprofilen 234 und 236 herstellbar ist. Benachbart zu einer der Schwalbenschwanzleisten 286 ersteckt sich von der Wand 284 eine Last tragende Wand 288 im rechten Winkel weg. Diese Wand 288 beinhaltet eine einextrudierte Faserstrangverstärkung 290, welche der Wand 288 das notwendige Trägheitsmoment verleiht.

Claims

Metall-Kunststoffverbundprofil mit einem Isolierprofilsteg in Form eines Kunststoffprofils, wobei das Kunststoffprofil eine Last tragende Wand sowie gegebenenfalls eine oder mehrere parallel zur Längsrichtung des Profils verlaufende Hohlkammern aufweist, wobei die lasttragende Wand mit einem kontinuierlichen Faserstrang zur Aufnahme von Biege- und Schubspannungen in einem Teilvolumen verstärkt ist, wobei der Faserstrang ein Faserband ist, bei dem die Einzelfasern mit einer Vorzugsrichtung in Längsrichtung des Faserbandes vorliegen, wobei der Verbund zwischen dem Isolierprofilsteg und den Metallbauteilen des Metall-Kunststoffverbundprofils schubfest ausgeführt ist und wobei das faserstrangverstärkte Kunststoffprofil als Last tragendes Konstruktionselement eingesetzt ist.
Metall-Kunststoffverbundprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei im Wesentlichen parallele Außenwände des Kunststoffprofils mit jeweils einem kontinuierlichen Faserstrang verstärkt sind.
Metall-Kunststoffverbundprofil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Last tragende Querwand des Kunststoffprofils mit einem kontinuierlichen Faserstrang verstärkt ist.
Metall-Kunststoffverbundprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern ausgewählt sind aus Glasfasern, Kohlefasern, Metallfasern und Synthesefasern, insbesondere Aramidfasern.
Metall-Kunststoffverbundprofil nach einem der voranstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Hohlkammern des Kunststoffprofils ausgeschäumt sind.
Metall-Kunststoffverbundprofil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Ausschäumung Verstärkungsstoffe beinhaltet.
Metall-Kunststoffverbundprofil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffprofil als Funktionselement einen Abstandshalter für Glasscheiben integral umfasst.
Rahmenkonstruktion zur Ausfachung mit transparenten oder nicht-transparenten Füllungen, insbesondere in Form eines Fassadenelements, eines Isolierglasfensters oder einer Isolierglastür, hergestellt unter Verwendung eines Metall-Kunststoffverbundprofils mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Glasdachkonstruktion, hergestellt unter Verwendung eines Metall-Kunststoffverbundprofils mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.