EP3787886A1 - Verfahren zur herstellung eines extrudates - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines extrudates

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EP3787886A1
EP3787886A1 EP19717224.0A EP19717224A EP3787886A1 EP 3787886 A1 EP3787886 A1 EP 3787886A1 EP 19717224 A EP19717224 A EP 19717224A EP 3787886 A1 EP3787886 A1 EP 3787886A1
Authority
EP
European Patent Office
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pultrusion
unit
movement
rohextrudates
extrudate
Prior art date
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Pending
Application number
EP19717224.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Eichenhofer
Giovanni CAVOLINA
Chester HOUWINK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
9T Labs AG
Original Assignee
9T Labs AG
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Filing date
Publication date
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    • B29C48/875—Thermal treatment of the extrusion moulding material or of preformed parts or layers, e.g. by heating or cooling for achieving a non-uniform temperature distribution, e.g. using barrels having both cooling and heating zones

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an extrudate according to the preamble of claim 1 and to a process unit according to the preamble of claim 14.
  • Process units with a pultrusion unit and an extrusion unit are used to produce a strand-shaped extrudate.
  • a matrix for example thermoplastic
  • the raw extrudate is deformed as the matrix and fibers in the pultrusion unit.
  • the raw extrudate is formed from the pultrusion unit to the extrudate in the final form.
  • the raw extrudate is moved through a completely closed pultrusion channel bounded by forming walls. The cross-sectional area available for the crude extrudate is therefore limited by the cross-sectional area of the pultrusion channel.
  • the raw extrudate in the pultrusion channel may be necessary for temporarily require a larger cross-sectional area.
  • the available cross-sectional area for the raw extrudate is limited by the cross-sectional area of the pultrusion channel, this results in a large increase in the pressure of the raw extrudate in the pultrusion channel and a blockage, because the raw extrudate rests on the forming walls with a large compressive force and thus a great friction between the raw extrudate and the shaping walls
  • CONFIRMATION COPY occurs. This problem occurs especially with a small diameter tubular extrudate. For this reason, in particular, extrusions having a small diameter can not be reliably produced by the pultrusion unit.
  • DE 10 2015 007 317 A1 shows a method for reinforcing an existing basic structure with a reinforcing structure.
  • the reinforcing structure is manufactured with a process unit having a pultrusion unit and an extrusion unit.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for producing an extrudate and a process unit, in which extrudates with a small diameter or a small cross-sectional area can be reliably produced.
  • a method for producing a preferably extruded strand comprising the steps of: introducing a hardenable matrix and fibers or a raw extrudate into a pultrusion unit, deforming the raw extrudate in the pultrusion unit by passing an outside of the raw extrudate during the movement of the raw extrudate a pultrusion channel of the pultrusion unit rests on at least one forming wall of the pultrusion unit, exiting the deformed raw extrudate from the pultrusion unit, introducing the raw extrudate from the pultrusion unit into an extrusion unit, deforming the raw extrudate in the extrusion unit, and exiting the raw extrudate from an orifice of the extrudate Extrusion unit, wherein in a section through the Rohextrudat perpendicular to the direction of movement of the Rohextrudates in the pultrusion channel, a first part of the outside of the Rohextrudates during the movement a second part of the outside of the raw
  • the cross-sectional area of the raw extrudate in the pultrusion channel is thus changed during the movement of the Rohextrudates at an identical section perpendicular to the direction of movement of the Rohextrudates in the pultrusion channel, so that preferably a blockage of the raw extrudate, in particular due to material tolerances, can be substantially avoided.
  • the cross-sectional area available to the raw extrudate is changed by at least 5%, 10%, 20% or 30% due to movement of the first and second forming walls.
  • the raw extrudate is deformed and optionally in the pultrusion unit, the fibers are firmly bonded to the matrix.
  • the optional implementation of the cohesive connection between the fibers and the matrix in the pultrusion unit depends on the type of raw extrudate used. For example, in hybrid yarns, the fibers and the matrix are not yet firmly bonded to each other from the introduction into the pultrusion unit, so that in the pultrusion unit a cohesive connection between the fibers and the matrix is produced and in composite tapes as Rohextrudat the fibers and the matrix of the introduction into the Pultrusionsaku already at least partially cohesively connected to each other, so that in the Pultrusionsaku no or only a slight cohesive connection between the Fibers and the matrix is produced.
  • a cohesive bond between the fibers and the matrix is also produced in the case of composite tapes as raw extrudate in the pultrusion unit, because the heating and forming of the raw extrudate in the pultrusion unit necessitates an additional and / or altered cohesive connection between the fibers and the matrix.
  • the raw extrudate at the second part of the outside of the raw extrudate, the raw extrudate has only one contact with the ambient air or a process gas.
  • the at least one shaping wall in particular in a direction of movement parallel to the direction of movement of the Rohextrudates, stationary, so that the Rohextrudat performs a relative movement to the at least one forming wall due to the movement of the Rohextrudates by the Pultrusionsaku.
  • the at least one shaping wall as the movement wall at least partially, in particular completely, carries out the movement of the raw extrudate through the pultrusion unit so that the relative movement speed between the movement speed of the raw extrudate and the movement speed of the at least one movement wall is smaller than the movement speed of the Rohextrudates by the pultrusion unit, in particular the speed of movement of the Rohextrudates and the movement speed of the at least onehovswandung are substantially identical, preferably substantially means that the speed of movement of Ro rotrudates and the speed of movement of the at least oneoptswandung by less than 20%, 10%, 5% or 3% different.
  • the at least one wall is expediently formed as a movement wall of at least one roller and / or of at least one punch moved by a mechanism.
  • a radial outer side of the at least one roller rests on the raw extrudate, so that the rotational speed of the radial outer side of the roller substantially the translation speed of the outside of the Rohextrudates corresponds because the role of the Rohextrudat is placed in a corresponding rotational movement.
  • the mechanism is driven by a motor, in particular an electric motor, and the stamp is placed on the outside of the raw extrudate, then temporarily carries out the translational movement of the raw extrudate and then the stamp is lifted from the raw extrudate and moved back again and then again onto the raw extrudate applied, this process is carried out repeatedly.
  • the first and / or second shaping wall is pressed with a compressive force, in particular in a compressive force perpendicular to the direction of movement of the Rohextrudates, on the outside of the Rohextrudates so that the first and / or second shaping wall in a direction perpendicular to the direction of movement of the Ro extrudate is moved.
  • the compressive force is necessary so that the shaping wall causes sufficient deformation of the Rohextrudates.
  • the first and / or second shaping wall is pressed by means of an actuator, in particular an electric motor or a movable piston, and / or an elastic element, in particular a spring, on the outside of the Rohextrudates.
  • an actuator in particular an electric motor or a movable piston
  • an elastic element in particular a spring
  • the first and / or second shaping wall is formed by a roller and the roller is moved in a direction of movement perpendicular to the direction of movement of the Rohextrudates. The movement of the roll changes the cross-sectional area of the raw extrudate.
  • the pultrusion channel delimited by the at least one shaping wall is tapered conically in the direction of movement of the raw extrudate, so that the width of the pultrusion channel is narrower Rohextrudates decreases and the thickness of the Rohextrudates increases during the deformation of the Rohextrudates in Pultrusionsaku.
  • the fibers are adhesively bonded to the hardenable matrix. It depends on the type of raw extrudate used, whether in the pultrusion unit, the fibers are firmly bonded to the matrix.
  • the fibers and preferably the hardenable matrix are stressed with a tensile force.
  • the at least one wall has a concave and / or convex surface as the movement wall and the concave and / or convex surface of the movement wall rests on the raw extrudate so that a complementary geometry is incorporated into the outside of the raw extrudate.
  • an existing basic structure having at least one reinforcing structure is reinforced to form a supporting structure comprising the steps of: producing the at least one reinforcing structure, connecting the at least one reinforcing structure to the basic structure so that the at least one reinforcing structure is connected to the basic structure in a connecting position and the basic structure together with the at least one reinforcing structure forms the supporting structure, wherein the at least one reinforcing structure, in particular all reinforcing structures, is produced from a composite material with fibers and a matrix by pultrusion and / or by extrusion and a pultrusion unit and / or an extrusion unit and / or a process unit is moved in space, so that the at least one reinforcing structure, in particular all reinforcing structures, after the pultrusion and / or extrusion respectively at de r required connection position pultruded on the basic structure and / or extruded is made and the reinforcing structure is produced as an extrudate with a
  • a process unit comprising: a pultrusion unit with a pultrusion channel and the pultrusion channel bounded by at least one shaping wall, an extrusion unit with an extrusion channel and an opening for exit of the extrudate from the extrusion channel, a conveyor for conveying a raw extrudate from the pultrusion unit into the extrusion unit, wherein the pultrusion channel is partially open.
  • the pultrusion channel is formed in cross section at least partially substantially U-shaped or v-shaped.
  • the method is executed with a process unit described in this patent application.
  • the process unit described in this patent application is preferably a process unit for carrying out the method described in this patent application.
  • the raw extrudate in the extrusion unit is moved through an extrusion channel.
  • the second part of the outside of the raw extrudate comprises at least 10%, 20% or 30% of the entire outside of the raw extrudate, in particular in a section perpendicular to the direction of movement of the raw extrudate in the pultrusion channel.
  • a force in particular tensile force, is applied to the raw extrudate so that the raw extrudate, in particular the fibers in the pultrusion channel, have a tensile force in the pultrusion unit.
  • the raw extrudate is deflected out of the pultrusion channel prior to introduction into the pultrusion channel and / or after being carried out, so that preferably the raw extrudate is inserted at an angle ai and / or during execution is oriented at an angle 02 to a plane perpendicular to the direction of movement of the Rohextrudates in the pultrusion channel.
  • the angle CM and the angle 02 is preferably between 0 ° and 90 °, in particular between 20 ° and 80 °.
  • the at least one tensioning device also forms at least one deflection device.
  • pultrusion is carried out as the first step for the production of the extrudate, and as the second step, the extrusion is carried out, so that the pultruded crude extrudate partially produced in the first step is reworked in the second step with extrusion.
  • the extrudate in particular the reinforcing structure, preferably all reinforcing structures, in particular continuously, is or will be prepared by the pultrusion unit and / or extrusion unit and / or process unit, in particular continuously, in Space in a movement path is moved on and / or in the area of the required connection position at or no distance from the basic structure.
  • the distance is in the range between 0 mm and less mm or cm.
  • the pultrusion unit and / or extrusion unit and / or process unit is essentially moved to the required connection position since, after the exit of the at least one reinforcement structure from the process unit, the reinforcement structure still has little or no distance from the basic structure.
  • the basic structure of the extrusion unit plastically and preferably elastically deformed during movement of the extrusion unit in space, so that due to the plastic deformation of the basic structure at least one recess in the basic structure is formed and in the at least one recess at least one reinforcing structure the required connection position is inserted.
  • the pultrusion unit and / or extrusion unit and / or process unit is moved with a robot and / or after pultruding and / or extruding one extrudate with a cutting unit, the extrudate with the chamfers and the matrix is separated.
  • the raw extrudate and / or the extrudate are continuously conveyed first through the pultrusion unit and then through the extrusion unit.
  • hybrid yarns or composite tapes are fed to the pultrusion unit with fibers and matrix, or the fibers and matrix are conveyed separately to the pultrusion unit.
  • the fibers are bonded to one another in a material-locking manner, in particular by heating and / or hardening the matrix and / or during the conveyance of the matrix Pultrusion unit cooled to the extrusion unit and / or hardened, so that the fibers are materially interconnected and / or by means of a conveyor, such as two conveyor wheels, the Rohextrudat is promoted, in particular by the conveyor to the Rohextrudat while conveying the Rohextrudates of the Pultrusion unit to the extrusion unit acts on the Rohextrudat and / or the fibers and the matrix are first deformed by pultrusion and preferably cohesively, in particular by heating and / or hardening of the matrix, and then at least partially the extrudate during extrusion in the extrusion unit, the cross-sectional shape of the extrudate is formed.
  • the raw extrudate is understood to be an arrangement and / or mixture of matrix and fibers, regardless of whether or not the fibers are adhesively bonded to the matrix.
  • the extrudate has a maximum diameter of less than 10 mm, 5 mm, 3 mm, 1 mm or 0.7 mm.
  • the extrudate has, for example, a cross-sectional shape as a rectangle, square or ellipse with a maximum diameter smaller than 10 mm, 5 mm, 3 mm, 1 mm or 0.7 mm.
  • the raw extrudate is heated in the pultrusion unit, in particular with a heating device.
  • the raw extrudate and / or extrudate is deformed in the extrusion unit.
  • the raw extrudate is first heated, while the raw extrudate is being conveyed from the pultrusion unit to the extrusion unit, the crude extrudate is cooled and the raw extrudate is reheated in the extrusion unit.
  • the raw extrudate is actively cooled in the pultrusion unit with a, preferably first, cooling device.
  • the extrudate is actively cooled after being conveyed through the extrusion unit with a, preferably second, cooling device, for example a blower.
  • a, preferably second, cooling device for example a blower.
  • the extrudate with plastic preferably thermoplastic and / or thermosetting plastic and / or plastic as a reactive hot melt or reactive hot melt adhesive or reactive melt polymer, prepared as a matrix.
  • Plastics as a reactive hot melt or reactive hot melt adhesive or reactive melt polymer are plastics which preferably have initially thermoplastic properties and / or are a thermoplastic and at least one change parameter, for example heating or heating and / or exposure to moisture and / or or the irradiation with UV light and / or an oxygen withdrawal, by a chemical change, in particular at least one chemical reaction, thermosetting properties and / or are a thermosetting plastic.
  • the heating and / or heating in the pultrusion unit and / or the extrusion unit may be used as the change parameter.
  • Thermosetting plastics are also 100% solid when heated or heated, ie the hardening is not reversible by heating.
  • the heating and / or heating in the pultrusion unit and / or extrusion unit is carried out for example at temperatures between 60 ° C and 200 ° C.
  • the chemical change is carried out by a connection between existing macromolecular chains (so-called cross links).
  • Reactive hotmelts are based, for example, on EVA (ethylene vinyl acetate) and polyester or based on PA (polyamide) or based on polymers or based on PUR. Reactive hotmelts may also contain substances that are not plastics or adhesives. Adhesives are insofar considered as plastics.
  • the essential property of the reactive hot melt or reactive hotmelt adhesive or reactive melt polymer is thus that after hardening due to the action of the at least one change parameter, heating of the at least one reinforcing structure does not cause melting of the reactive hotmelt or of the matrix from the reactive hotmelt, so that despite the heating to normal for the application temperatures, for example, to temperatures up to 200 ° C or 300 ° C, the carrying capacity and / or rigidity of the extrudate is still guaranteed.
  • the extrudate is made with fibers as glass fibers, carbon fibers and / or aramid fibers.
  • the material of the basic structure is removed locally in the area of a later contact surface between the at least one reinforcing structure and the basic structure.
  • the basic structure is removed by machining, in particular with a tool, preferably a milling tool, and the tool is moved by a robot along the surface of the basic structure.
  • a tool preferably a milling tool
  • a, preferably elongated, recess is incorporated into the basic structure due to the removal and / or deformation, in particular plastic deformation, of the basic structure and then the at least one reinforcing structure is introduced into the recess, so that a positive connection between the at least one reinforcing structure and the basic structure at the recess, in particular after cooling and hardening of the matrix is formed.
  • the surface of the basic structure prior to placing the at least one reinforcing structure on the surface of the basic structure, is locally heated in the area of a later contact surface between the at least one reinforcing structure and the basic structure with a basic structure heating device, in particular a laser or an infrared radiator or a heating fan ,
  • the basic structure heating device is moved by a robot along the surface of the basic structure and / or due to the heating of the surface of the basic structure, its property is changed locally, in particular in the region of a later contact surface between the at least one reinforcing structure and the basic structure viscous and / or sticky and / or liquid, so that a cohesive connection between the matrix of the at least one reinforcing structure and the material of the basic structure, in particular after cooling, is formed.
  • a substance in particular an adhesive and / or a bonding agent, is used to improve the connection is applied between the at least one reinforcing structure and the basic structure.
  • the adding device is moved by a robot along the surface of the basic structure.
  • the basic structure is first manufactured or made available, and then the at least one reinforcing structure is produced.
  • the basic structure is expediently produced by a different method than the at least one reinforcing structure.
  • the basic structure of metal, in particular steel and / or aluminum, and / or plastic, in particular fiber-reinforced plastic or polystyrene or plastic foam or plastic, and / or formed in sandwich construction of two different materials.
  • the basic structure is designed as a planar component, a plate, a disk, a partial spherical shell, a dome, a rotation part ellipsoid, a trough or a cup.
  • the invention further comprises a computer program with program code means which are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is executed on a computer or a corresponding computing unit.
  • the invention also relates to a computer program product with program code means which are stored on a computer-readable data carrier in order to carry out a method described in this patent application when the computer program is executed on a computer or a corresponding computing unit.
  • 1 is a simplified longitudinal section of a process unit with a
  • FIG. 2 shows a side view of the process unit during the implementation of the method
  • 3 shows a cross-section of a basic structure before the application of a reinforcing structure
  • Fig. 4 shows the cross section of the basic structure of FIG. 3 after the
  • Fig. 5 is a perspective view of a pultrusion unit of the
  • FIG. 6 shows a section A-A of the pultrusion unit according to FIG. 6, FIG.
  • FIG. 7 shows a section B-B of the pultrusion unit according to FIG. 6, FIG.
  • FIG. 8 shows a section C-C of the pultrusion unit according to FIG. 6, FIG.
  • FIG. 11 shows a section A-A of the pultrusion unit according to FIG. 9, FIG.
  • FIG. 12 shows a section B-B of the pultrusion unit according to FIG. 9, FIG.
  • FIG. 13 shows a section C-C of the pultrusion unit according to FIG. 9
  • Fig. 14 is a perspective view of an inventive
  • FIG. 15 shows a section A-A of the pultrusion unit according to FIG. 14, FIG.
  • Fig. 16 is a perspective view of an inventive
  • Pultrusion unit in a third embodiment, 17 shows a section AA of the pultrusion unit according to FIG. 16, FIG.
  • FIG. 18 shows a section B-B of the pultrusion unit according to FIG. 16, FIG.
  • FIG. 19 shows a section C-C of the pultrusion unit according to FIG. 16, FIG.
  • Fig. 20 is a perspective view of an inventive
  • FIG. 21 shows a cross section of a pultrusion channel in a first
  • Fig. 22 is a cross section of a pultrusion channel in a second
  • Fig. 23 is a cross section of a pultrusion channel in a third
  • Fig. 24 shows a cross section of a Pultrusionskanales in a fourth
  • Fig. 25 is a cross section of a roller in a first
  • Fig. 26 is a cross section of a roller in a second
  • Fig. 27 is a cross section of a roller in a third
  • Fig. 28 is a cross section of a roller in a fourth
  • embodiment 29 is a view of a hardenable mass and fibers in a first embodiment for feeding into the pultrusion unit and
  • Fig. 30 is a view of a hardenable mass and fibers in a second embodiment for feeding into the pultrusion unit.
  • FIGS. 1 and 2 show a process unit 5 according to the invention for producing a reinforcing structure 1 as an extrudate 40.
  • the process unit 5 includes a pultrusion unit 6 and an extrusion unit 7.
  • a pultrusion channel 9 is formed and in a right-to-left direction as a movement direction 54 of a raw extrudate 41 as shown in FIG. 1, the pultrusion channel 9 is at a portion initially formed conically tapering with a decreasing width 42 and then with a constant width 42.
  • the pultrusion channel 9 is bounded by forming walls 46.
  • a first heating device 8 is arranged on the pultrusion channel 9 in a direction as shown in FIG.
  • a cooling channel 11 is formed on the first cooling device 10, through which a cooling fluid is passed to cool the raw extrudate 41.
  • the pultrusion channel 9 is below the drawing plane of FIG , not shown forming wall 46 limited and above the plane of Fig. 1, no shaping wall 46 is present.
  • Rohextrudates 41 has no contact with a shaping wall 46 and is only in contact with the ambient air.
  • the pultrusion channel 9 is thus partially open above the plane of FIG. 1.
  • An arrangement and / or mixture of matrix 44 and fibers 45 is already considered as a raw extrudate 41 before being introduced into the pultrusion channel 9, so that the matrix 44 and the fibers 45 are also referred to as raw extrudate 41 in the entire pultrusion channel 9 and before the pultrusion channel 9 be without or with a material connection between the fibers 45 and the matrix 44th
  • the extrusion unit 7 comprises an extrusion channel 15 and the extrusion channel 15 comprises a first conically tapered section and a second section with a constant diameter. At the second portion of the constant diameter extrusion channel 15, a second heater 16 is formed.
  • the first and second heating devices 8, 16 are preferably designed as an electrical resistance heater.
  • the conveyor 12 comprises a first conveyor wheel 13 and a second conveyor wheel 14, which are driven by an electric motor, not shown.
  • the raw extrudate 41 is arranged between the two conveyor belts 13, 14, so that the raw extrudate 41 with the conveyor 12 is pulled out of the pultrusion unit 6 and is inserted into the extrusion unit 7 with the conveyor 12.
  • the pultrusion unit 6 and the extrusion unit 7 are connected to one another by means of a connecting part 20, for example a housing only partially illustrated in FIG.
  • a connecting part 20 for example a housing only partially illustrated in FIG.
  • a supply part 23 is further fixed with three guide holes 24.
  • the hybrid yarn 21 consists of a fiber 45 as a glass fiber 45 and further comprises the matrix 44 of a thermoplastic material.
  • the matrix 44 as The thermoplastic material is arranged in the hybrid yarn 21 as a fibrous matrix 44 or as a matrix fiber 44.
  • the hybrid yarn 21 is bendable and thus can be unrolled from the roll 22.
  • a second cooling unit 17 is further attached.
  • the second cooling unit 17 comprises a blower 18 and a cooling pipe 19.
  • a cutting unit 25 is used for the extrusion unit 7 extruded extrudate 40 as necessary to cut off and thereby produce an end of the extrudate 40 can.
  • the extrudate 40 is conveyed first by the pultrusion unit 6 and subsequently by the extrusion unit 7 by means of the conveyor 12 as shown in FIG. however, both operations occur simultaneously due to the length of the bars 2 and the distance between the pultrusion unit 6 and the extrusion unit 7.
  • the hybrid yarn 21 is unrolled from the three rollers 22 and inserted into the tapered portion of the pultrusion channel 9.
  • the three hybrid yarns 21 are heated with the first heater 8, so that the thermoplastic resin of the matrix 44 melts on the hybrid yarns 21 and thereby the glass fibers 45 in the three hybrid yarns 21 are integrally bonded together by means of the matrix 44 of the thermoplastic material as a process step of the pultrusion.
  • a deformation or deformation of the matrix 44 and the fibers 45 or the raw extrudate 41 is carried out so that the raw extrudate 41 emerging from the pultrusion unit 6 has the suitable shape for the extrusion unit 7. Subsequently, the raw extrudate 41 becomes the portion of the
  • Pultrusionskanales 9 with the first cooling device 10 is promoted or moved, so that thereby the raw extrudate 41 is cooled and thereby partially hardened.
  • the raw extrudate 41 is conveyed or guided into the extrusion unit 7 by the conveying device 12. Due to the cooling of the raw extrudate 41 in the first cooling device 10, the raw extrudate 41 can be conveyed by the conveyor 12.
  • the raw extrudate 41 as a composite material 29 with the fibers 45 and the matrix 44 at the portion of the extrusion channel 15 with the constant
  • Diameter of the second heater 16 is heated again so far that at the end region in the conveying direction of the extrusion channel 15, the final shaping of the cross-sectional shape of the reinforcing structure 1 to be produced at an opening 60 as the end of the
  • Extrusionskanales 15 is formed.
  • the opening 60 has a circular cross-sectional shape, thereby characterized by means of
  • Process unit 5 reinforcing structures 1 are prepared as extrudates 40 having a circular cross-section. After the extrudate 40 exits the extrusion channel 15 of the extrusion unit 7, ambient air is passed as cooling air to the rod 2 as an extrudate 40 by the fan 18 through the cooling tube 19, so that a faster cooling of the reinforcement structures 1 can be achieved.
  • the reinforcement structures 1 produced as extrudates 40 are formed as straight or curved rods 2.
  • the rods 2 are produced by the process unit 5 at the required connection position on a base structure 4, so that the process unit 5 is moved on a movement path 26 as a straight line 27 or curved line 27 by means of movement arms 28 of a robot greatly simplified in FIG.
  • the trajectory 26 as a straight line 27 or curved line 27 corresponds substantially to the longitudinal axis of the reinforcing structure 1 produced by the process unit 5.
  • the reinforcing structure 1 consists of rods 2 of the composite material 29, namely with fibers 45 as glass fibers 45 and the matrix 44 as a thermoplastic material.
  • the fibers for. As glass, aramid or carbon fibers, wound up and the matrix as the thermoplastic material is stored separately in a container with a container heating in a heated state and conveyed by means of an unillustrated matrix conveyor to the pultrusion unit 6.
  • the pultrusion unit 6 and the extrusion unit 7 can also be designed as only one component, by, for example, immediately after extrusion, extruding, ie. H. the final shaping of an outer side 33 of the rod 2 is carried out as an extrudate 40, without the conveyor 12 being arranged between the extrusion unit 7 and the pultrusion unit 6.
  • thermosetting plastic or a plastic is used as a reactive hot melt or reactive hot melt adhesive or reactive melt polymer instead of thermoplastic as the matrix.
  • the thermosetting plastic is stored separately in a container and by means of a
  • Pultrusion unit 6 supplied.
  • the hardening of the thermosetting plastic takes place by means of irradiation or addition of chemical additives.
  • the hardening of the plastic as a reactive hotmelt or reactive hotmelt polymer or polymer is in particular due to the heating as a parameter of change during the processing of the matrix in the pultrusion unit 6 and / or in the Extrusion unit 7 executed.
  • the hardening of the plastic as a reactive hotmelt can also be carried out by moisture and / or UV light and / or oxygen removal.
  • the at least one reinforcing structure 1 is irradiated with UV light by means of a UV light source (not shown).
  • the composite tapes are wound on the rollers 22.
  • the fibers 45 are already adhesively bonded to the matrix 44 at least partially, in particular completely, so that only a slight cohesive connection between the fibers 45 and the matrix 44 is produced in the pultrusion unit 6 as a rule becomes.
  • Preprocessing devices 34, 36, 38 as a tool 34 as a milling tool 35, a basic structure heater 36, for example a laser 37 or an infrared radiator 38, and an adhesive glue adding device 39 are attached to the process unit 5 (shown only in FIG. 2).
  • the tool 34, the basic structure heater 36 and the adding device 39 are movable with mechanical means relative to the process unit 5, so that the pre-processing devices 34, 36, 38 can be arranged on different trajectories 26 with different surfaces of basic structures 4 in the required position.
  • an elongate recess 32 Before placing the reinforcing structure 1 produced on the process unit 5 on the surface of the basic structure 4, an elongate recess 32 (FIG.
  • the recesses 32 in this case have an undercut, so that after cooling and hardening of the composite material 29 with the fibers and the matrix within the recess 32 a positive connection of the rods 2 as Reinforcing structure 1 on the base structure 1, for example, plates 30, is formed.
  • the surface of the base structure 4 is heated in the region of the recess 32 with the basic structure heater 36, so that the matrix of the composite material 29 can cohesively connect to the material of the base structure 4 and after cooling and hardening of the composite material 29 and the base structure 4 a solid cohesive connection between the basic structure 4 and the reinforcing structure 1 consists.
  • Adhesive 31 is then applied to the surface of the base structure 4 in the region of the recess 32 by means of the adding device 39, in order to connect the reinforcing structure 1 to the base structure 4 in a material-locking manner after placing the reinforcing structure 1 on the basic structure 4 and hardening the adhesive 31.
  • the adding device 39 In general, depending on the material of the basic structure 4, only the basic structure heating device 36 or only the adding device 39 is operated. In a basic structure 4 made of metal, for example steel or aluminum, only the adding device 39 and not the basic structure heating device 36 is operated. In the case of a basic structure 4 made of thermoplastic material, it is not the adding device 39 and only the basic structure heating device 36 that are operated.
  • FIGS. 5 to 8 show a prior art pultrusion unit 5 of a process unit 5 (not shown) known from the prior art, wherein for reasons of simplicity necessary functional components such as a first heater or a first cooling device are not shown ,
  • the raw extrudate 41 is moved through a pultrusion channel 9.
  • the circular in the cross-sectional shape and in the direction of movement 54 of the Ro extrudate 41 conically tapering Pultrusionskanal 9 is bounded by a shaping wall 46 of the pultrusion unit 6.
  • the entire outer side 51 of the Rohextrudates 41 lies in the section in Fig. 6 to 8 perpendicular to the direction of movement 54 of the Rohextrudates 41 on the shaping wall 46, so that a closed Pultrusionskanal 9 is present.
  • FIGS. 9 to 13 show a first exemplary embodiment of the pultrusion unit 6 of the process unit 5 according to the invention.
  • necessary functional components such as a first heating device or a first cooling device are not shown.
  • a heater (not shown) is formed on the forming walls 46 so that the raw extrudate 41 is heated by the heated forming walls 46 to allow the matrix 44 to be deformed and, optionally, the fibers 45 to be materially bonded to the matrix 44 during pultrusion in the pultrusion unit 6.
  • the process steps of deforming the raw extrudate 41 and, preferably, the material-locking connection of the fibers 45 with the matrix 44 are thus carried out.
  • the substantially U-shaped pultrusion channel 9 is partially open, so that the raw extrudate 41 rests on the outer side 51 on a first part 52 of the outer side 51 on fixed shaping walls 46 and on a second part 53 of the outer side 51, the outer side 51 no contact has the shaping wall 46, that is only in contact with the ambient air.
  • the raw extrudate 41 has the outer side 51 because of the open second part 52 a very small and substantially constant pressure during the movement of the Rohextrudates 41 through the pultrusion channel 6 on.
  • the three, in particular in a direction of movement 54 of Rohextrudates 41, fixed shaping walls 46 are perpendicular to the direction of movement 54 of the Rohextrudates 41 perpendicular to each other in the section in Fig. 11 to 13 and two shaping walls 46 are aligned parallel to each other in the section.
  • the raw extrudate 41 in the pultrusion channel 9 has a width 42 and a thickness 43.
  • the shaping walls 46, which are oriented parallel to one another in the section, are furthermore conically tapered in the direction of movement 54 of the raw extrudate 41 (FIG. 9), so that the width 42 decreases during the movement of the raw extrudate 41 through the pultrusion channel 9 and the thickness 43 increases ( Figures 11 to 13).
  • the thickness 43 of the raw extrudate 41 is the extension of the raw extrudate 41 in the direction of the opening of the pultrusion channel 9 and / or in the direction perpendicular to the width 42 of the raw extrudate 41.
  • the width 42 of the raw extrudate 41 is the extent of the raw extrudate 41 in the direction perpendicular to the thickness and / or the extent of the Rohextrudates 41 between the two in the section tapered shaping walls 46th.
  • the relative speed of movement between the raw extrudate 41 and the three shaping walls 46 corresponds to the speed of movement of the raw extrudate 41, because the three shaping walls 4 are stationary.
  • tensioning devices not shown, in particular tension rollers, are formed, which apply a tensile force Fi and F2 to the raw extrudate 41, so that the raw extrudate 41 in the pultrusion unit 6 has a tensile force.
  • the tensile force Fi is smaller than the tensile force F2, so that the raw extrudate 41 is moved through the pultrusion channel 9 under a tensile force in the raw extrudate 41, in particular a tensile force in the fibers 45 of the raw extrudate 41.
  • the tensioning devices additionally function as deflection devices , in particular deflection rollers, so that the raw extrudate 41 is deflected before being introduced into the pultrusion channel 9 and after being carried out of the pultrusion channel 9 and the raw extrudate 41 is aligned at an angle Cd before insertion and at an angle 02 after being guided.
  • the angles ai and 02 are less than 90 °, so that the raw extrudate 41 during insertion and execution is not aligned parallel, but at an acute angle to the direction of movement 54 in the pultrusion channel 9.
  • the deflection devices apply a transverse force FQ to the raw extrudate 41 during insertion and removal.
  • the lateral force FQ depends on the angles cu and 0 2 .
  • FIGS. 14 and 15 show a second embodiment of the pultrusion unit 6 of the process unit 5 according to the invention.
  • a roller 55 is arranged at one end portion of the partially open Pultrusionskanales 9.
  • the roller 55 is rotatably mounted about a rotation axis 62 and a radial outer surface 63 as a surface of the roller 55 rests on the second part 53 of the outer side 51 of the Rohextrudates 41 and deforms the second part 53.
  • the Pultrusionskanales 9 with the Roll 55 a closed pultrusion channel 9 before.
  • the axis (not shown) of the roller 55 is provided with a resilient member 56 as a spring 57 with a Pressing force on the second part 53 of the outer side 51 is pressed, so that the radial outer side 63 rests with a compressive force on the second part 53 of the outer side 51 of the Rohextrudates 41. Further, the axis of the roller 55 is mounted in a direction perpendicular to the direction of movement 54, so that resting on the Rohextrudat 41 radial outer side 63 of the roller 55 as the first shaping wall 47, the distance 50 to the opposite shaping wall 46 as a second shaping wall 48th changed and thus the cross-sectional area is changed.
  • the roller 55 thus also forms a movement wall 49 as a moving forming wall 46.
  • the axial extent of the roller 55 is slightly smaller than the width 42 of the Rohextrudates 41 or the distance between the aligned in the cut forming walls 46, so that the role 55 is partially disposed in the pultrusion channel 9. Changes in the cross-sectional area of the raw extrudate 9, in particular due to material tolerances, can thus be absorbed by the movement as translational movement of the roller 55 without the risk of blockages of the raw extrudate 9.
  • the first forming wall 47 formed by the radial outer side 63 of the roller 55 carries out the translational movement of the raw extrudate 41 due to the rotational movement of the roller 55 about the axis of rotation, so that there is substantially no relative speed of movement between the rotating radial outer side 63 of the roller 55 and the second Part 53 of the outer side 51 of the Rohextrudates 41 occurs.
  • FIGS. 16 and 19 show a third exemplary embodiment of the pultrusion unit 6 of the process unit 5 according to the invention.
  • the pultrusion channel 9 is formed by the radial outer sides 63 of three rollers 55.
  • the radial outer sides 63 thus have a concave, substantially U-shaped surface 59.
  • the width 42 of the pultrusion channel 9 and thus of the raw extrudate 41 decreases from the first roller 55 shown in FIG. 17 to the third roller 55 shown in FIG. 19, and the roller 55 shown in FIG. 18 has an average width 42 between them the first and third roller 55 on.
  • rollers 55 Due to the rotational movement of the rollers 55, there is substantially no relative speed of movement between the radial outer side 63 of the rollers 55 and the raw extrudate 41.
  • the heated with a heater, not shown Rohextrudat 41 is deformed at the three sections of the Pultrusionskanales 9 of the three rollers 55.
  • the rollers 55 are further formed with a further optional heating device, in particular electrical resistance heater, so that the matrix 44 can be heated for the optional cohesive connection with the fibers 45.
  • FIG. 20 shows a fourth exemplary embodiment of the pultrusion unit 6 of the process unit 5 according to the invention.
  • the three sections of the pultrusion channel 9 are bounded by two rollers 55.
  • the radial outer sides 63 of the two rollers 55 each of a section are identical and correspond to those in the third embodiment shown in FIG. 16 to 19.
  • the concave, substantially U-shaped radial outer sides 63 normally bound each half of the pultrusion channel 9 at a respective section ,
  • the radial outer sides 63 of the two rollers 55 each of a portion are normally on each other outside of the substantially U-shaped recesses.
  • the axis of a roller 55 each of a section is not movable in space perpendicular to the direction of movement 54 of Rohextrudates 41, so that this roller 55 forms a second shaping wall 48.
  • the other roller 55 as the first shaping wall 47 each of a section is pressed with a resilient member 56 as a spring 57 on the roller 55, which forms the second shaping wall 48.
  • the axis of the other roller 55 as the first shaping wall 47 is movably mounted in a direction perpendicular to the direction of movement 54 of the Rohextrudates 41, so that the roller 55 as the first forming wall 47 additionally forms a movement wall 49, because the distance between the two rollers 55th each of a section can be changed.
  • the Cross-sectional area of the raw extrudate 41 is increased in order to avoid blockages of the raw extrudate 41 with material tolerances.
  • FIGS. 21 to 24 illustrate different cross-sectional shapes for fixed shaping walls 46 for the essentially u- or v-shaped pultrusion channel 9.
  • a top wall 61 and the raw extrudate 41 is shown by dashed lines.
  • the raw extrudate 41 has a large distance to the top wall 61, so that even with large material tolerances and a large increase in the cross-sectional area of the raw extrudate 41, the raw extrudate 41 has no contact with the top wall 61, so that also in FIG. 22, a partially open pultrusion channel 9 is present.
  • the top wall 61 makes it possible for the raw extrudate 41 or the fibers 45 with the matrix 44 to be more easily inserted into the pultrusion channel 9 during commissioning and the partially open pultrusion channel 9 is protected from contamination and mechanical influences from the outside.
  • Figs. 25 and 26 examples of the concave surface 59 of the radially outer side 63 of rollers 55 are shown.
  • the recess for the pultrusion channel 9 is substantially U-shaped in FIG. 25 and substantially V-shaped in FIG. 26.
  • Figs. 27 and 28 examples of the convex surface 58 of the radially outer side 63 of rollers 55 are shown.
  • the convex surface 58 is substantially U-shaped and substantially V-shaped in Fig. 28.
  • the rollers 55 shown in FIGS. 27 and 28 enable the second part 53 of the outside 51 of the raw extrudate 41 to be deformed, for example, in the embodiment shown in FIGS. 14 and 15.
  • FIGS. 29 and 30 show two examples of forming the matrix 44 and fibers 45 as raw extrudate 41 prior to insertion into the pultrusion channel 9.
  • the matrix 44 and the fibers 45 are bendable and rolled up on a roll 22.
  • FIG. 29 there is a strip which is substantially rectangular in cross-section and in which the fibers 45 are enveloped by the matrix 44 are.
  • the matrix 44 is divided into a plurality of strand-shaped parts between which and around which the fibers 45 are arranged.
  • Pultrusionskanal 9 allows the safe and reliable pultrusion of raw extrudates 41 even with a small diameter in the range of 0.5 mm without the risk of blockages of Rohextrudates 41 occur in the pultrusion channel 9.
  • Material tolerances can temporarily increase the cross-sectional area of the raw extrudate 41, and this enlargement can be achieved by moving a second part 53 of the outer side 51 outwards and / or increasing the distance between the first and second shaping walls 47, 48.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines, vorzugsweise strangförmigen, Extrudates (40) mit den Schritten: Einführen einer erhärtbaren Matrix (44) und Fasern (45) bzw. eines Rohextrudates (41) in eine Pultrusionseinheit (6), Verformen des Rohextrudates (41) in der Pultrusionseinheit (6) indem eine Außenseite (51) des Rohextrudates (41) während des Bewegens des Rohextrudates (41) durch einen Pultrusionskanal (9) der Pultrusionseinheit (6) an wenigstens einer formgebenden Wandung (46) der Pultrusionseinheit (6) aufliegt, Austreten des verformten Rohextrudates (41) aus der Pultrusionseinheit (6), Einführen des aus der Pultrusionseinheit (6) ausgetretenen Rohextrudates (41) in eine Extrusionseinheit (7), Verformen des Rohextrudates (41) in der Extrusionseinheit (7) und Austreten des zu dem Extrudat (40) umgeformten Rohextrudates (41) aus einer Öffnung (60) der Extrusionseinheit (7), wobei in einem Schnitt durch das Rohextrudat (41) senkrecht zu der Bewegungsrichtung (54) des Rohextrudates (41) in dem Pultrusionskanal (9) ein erster Teil der Außenseite (51) des Rohextrudates (41) während des Bewegens durch die Pultrusionseinheit (6) an wenigstens einer formgebenden Wandung (46) der Pultrusionseinheit (6) aufliegt und ein zweiter Teil der Außenseite (51) des Rohextrudates (41) keinen Kontakt zu der wenigstens einen formgebenden Wandung (46) aufweist.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Extrudates
BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Extrudates gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Prozesseinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.
Mit Prozesseinheiten mit einer Pultrusionseinheit und einer Extrusionseinheit wird ein strangförmiges Extrudat hergestellt. In der Pultrusionseinheit wird eine Matrix, beispielsweise thermoplastischer Kunststoff, normalerweise stoffschlüssig mit Fasern verbunden und außerdem erfolgt ein Verformen des Rohextrudates als der Matrix und den Fasern in der Pultrusionseinheit. In der Extrusionseinheit erfolgt ein Verformen des Rohextrudates aus der Pultrusionseinheit zu dem Extrudat in der abschließenden Form. In der Pultrusionseinheit wird das Rohextrudat durch einen vollständig geschlossenen Pultrusionskanal bewegt, der von formgebenden Wandungen begrenzt ist. Die dem Rohextrudat zur Verfügung stehende Querschnittsfläche ist deshalb von der Querschnittsfläche des Pultrusionskanales begrenzt. Bei Materialtoleranzen, beispielsweise der Fasern, kann es notwendig sein, dass das Rohextrudat in dem Pultrusionskanal temporär eine größere Querschnittsfläche benötigt. Da jedoch die zur Verfügung stehende Querschnittsfläche für das Rohextrudat von der Querschnittsfläche des Pultrusionskanales begrenzt ist, führt dies zu einem starken Anstieg des Druckes des Rohextrudates in dem Pultrusionskanal und einer Blockade, weil das Rohextrudat mit einer großen Druckkraft auf den formgebenden Wandungen aufliegt und damit eine große Reibung zwischen dem Rohextrudat und den formgebenden Wandungen
BESTÄTIGUNGSKOPIE auftritt. Dieses Problem tritt insbesondere bei einem Rohextrudat mit einem kleinen Durchmesser auf. Aus diesem Grund können mit der Pultrusionseinheit insbesondere keine Extrudate mit einem kleinen Durchmesser zuverlässig hergestellt werden.
Die DE 10 2015 007 317 A1 zeigt ein Verfahren zur Verstärkung einer vorhandenen Grundstruktur mit einer Verstärkungsstruktur. Die Verstärkungsstruktur wird mit einer Prozesseinheit mit einer Pultrusionseinheit und einer Extrusionseinheit hergestellt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Extrudates und eine Prozesseinheit zur Verfügung zu stellen, bei dem auch Extrudate mit einem kleinen Durchmesser bzw. einer kleinen Querschnittsfläche zuverlässig hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines, vorzugsweise strangförmigen, Extrudates mit den Schritten: Einführen einer erhärtbaren Matrix und Fasern bzw. eines Rohextrudates in eine Pultrusionseinheit, Verformen des Rohextrudates in der Pultrusionseinheit indem eine Außenseite des Rohextrudates während des Bewegens des Rohextrudates durch einen Pultrusionskanal der Pultrusionseinheit an wenigstens einer formgebenden Wandung der Pultrusionseinheit aufliegt, Austreten des verformten Rohextrudates aus der Pultrusionseinheit, Einführen des aus der Pultrusionseinheit ausgetretenen Rohextrudates in eine Extrusionseinheit, Verformen des Rohextrudates in der Extrusionseinheit und Austreten des zu dem Extrudat umgeformten Rohextrudates aus einer Öffnung der Extrusionseinheit, wobei in einem Schnitt durch das Rohextrudat senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates in dem Pultrusionskanal ein erster Teil der Außenseite des Rohextrudates während des Bewegens durch die Pultrusionseinheit an wenigstens einer formgebenden Wandung der Pultrusionseinheit aufliegt und ein zweiter Teil der Außenseite des Rohextrudates keinen Kontakt zu der wenigstens einen formgebenden Wandung aufweist und/oder in einem Schnitt durch das Rohextrudat senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates in dem Pultrusionskanal die Außenseite des Rohextrudates während des Bewegens durch die Pultrusionseinheit an wenigstens einer formgebenden Wandung der Pultrusionseinheit aufliegt und der Abstand zwischen einer ersten formgebenden Wandung und einer zweiten formgebenden Wandung senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates in dem Pultrusionskanal verändert wird, so dass die dem Rohextrudat zwischen der ersten und zweiten formgebenden Wandung in dem Pultrusionskanal zur Verfügung stehende Querschnittsfläche verändert wird. Die Querschnittsfläche des Rohextrudates in dem Pultrusionskanal wird damit während des Bewegens des Rohextrudates an einem identischen Schnitt senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates in dem Pultrusionskanal verändert, so dass vorzugsweise eine Blockade des Rohextrudates, insbesondere aufgrund von Materialtoleranzen, im Wesentlichen vermieden werden kann. Vorzugsweise wird die dem Rohextrudat zur Verfügung stehende Querschnittsfläche aufgrund der Bewegung der ersten und zweiten formgebenden Wandung um wenigstens 5%, 10%, 20% oder 30% verändert. In der Pultrusionseinheit wird das Rohextrudat verformt und optional werden in der Pultrusionseinheit die Fasern stoffschlüssig mit der Matrix verbunden. Das optionale Ausführen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix in der Pultrusionseinheit hängt von der Art des verwendeten Rohextrudates ab, beispielsweise bei Hybridgarnen sind die Fasern und die Matrix von dem Einführen in die Pultrusionseinheit noch nicht stoffschlüssig miteinander verbunden, so dass in der Pultrusionseinheit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix hergestellt wird und bei Composite Tapes als Rohextrudat sind die Fasern und die Matrix von dem Einführen in die Pultrusionseinheit bereits wenigstens teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden, so dass in der Pultrusionseinheit keine oder nur eine geringfüge stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix hergestellt wird. Normalerweise wird jedoch auch bei Composite Tapes als Rohextrudat in der Pultrusionseinheit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix hergestellt, weil das Erwärmen und Umformen des Rohextrudates in der Pultrusionseinheit eine zusätzliche und/oder veränderte stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix bedingt. In einer weiteren Ausgestaltung weist an dem zweiten Teil der Außenseite des Rohextrudates das Rohextrudat nur einen Kontakt zu der Umgebungsluft oder einem Prozessgas auf. An dem zweiten Teil der Außenseite kann somit eine Bewegung des Rohextrudates zur Vergrößerung der Querschnittsfläche des Rohextrudates ausgeführt werden.
In einer ergänzenden Variante ist die wenigstens eine formgebende Wandung, insbesondere in einer Bewegungsrichtung parallel zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates, feststehend, so dass das Rohextrudat eine Relativbewegung zu der wenigstens einen formgebenden Wandung ausführt aufgrund des Bewegens des Rohextrudates durch die Pultrusionseinheit.
In einer zusätzlichen Ausführungsform führt die wenigstens eine formgebende Wandung als Bewegungswandung die Bewegung des Rohextrudates durch die Pultrusionseinheit wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, mit aus, so dass die Relativbewegungsgeschwindigkeit zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit des Rohextrudates und der Bewegungsgeschwindigkeit der wenigstens einen Bewegungswandung kleiner ist als die Bewegungsgeschwindigkeit des Rohextrudates durch die Pultrusionseinheit, insbesondere die Bewegungsgeschwindigkeit des Rohextrudates und die Bewegungsgeschwindigkeit der wenigstens einen Bewegungswandung im Wesentlichen identisch sind, wobei vorzugsweise im Wesentlichen bedeutet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des Rohextrudates und die Bewegungsgeschwindigkeit der wenigstens einen Bewegungswandung sich um weniger als 20%, 10%, 5% oder 3% unterscheiden.
Zweckmäßig ist die wenigstens eine Wandung als Bewegungswandung von wenigstens einer Rolle und/oder von wenigstens einem von einem Mechanismus bewegten Stempel gebildet. Eine radiale Außenseite der wenigstens einen Rolle liegt auf dem Rohextrudat auf, so dass die Rotationsgeschwindigkeit der radiale Außenseite der Rolle im Wesentlichen der Translationsgeschwindigkeit der Außenseite des Rohextrudates entspricht, weil die Rolle von dem Rohextrudat in einen entsprechende Rotationsbewegung versetzt wird. Der Mechanismus ist von einem Motor, insbesondere Elektromotor, angetrieben und der Stempel wird auf die Außenseite des Rohextrudates aufgelegt, führt anschließend temporär die Translationsbewegung des Rohextrudates mit aus und anschließend wird der Stempel von dem Rohextrudat abgehoben und wieder zurück bewegt und anschließend erneut auf das Rohextrudat aufgelegt, wobei dieser Vorgang wiederholt ausgeführt wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird die erste und/oder zweite formgebende Wandung mit einer Druckkraft, insbesondere in einer Druckkraftrichtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates, auf die Außenseite des Rohextrudates gedrückt, so dass die erste und/oder zweite formgebende Wandung in einer Bewegungsrichtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates bewegt wird. Die Druckkraft ist notwendig, damit die formgebende Wandung eine ausreichende Verformung des Rohextrudates bewirkt.
Vorzugsweise wird die erste und/oder zweite formgebende Wandung mittels eines Aktuators, insbesondere eine Elektromotors oder eines beweglichen Kolbens, und/oder eines elastischen Elementes, insbesondere einer Feder, auf die Außenseite des Rohextrudates gedrückt.
In einer zusätzlichen Variante ist die erste und/oder zweite formgebende Wandung von einer Rolle gebildet und die Rolle wird in einer Bewegungsrichtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates bewegt. Die Bewegung der Rolle verändert die Querschnittsfläche des Rohextrudates.
In einer weiteren Variante ist der von der wenigstens einen formgebenden Wandung begrenzte Pultrusionskanal in Bewegungsrichtung des Rohextrudates konisch verjüngend ausgebildet, so dass die Breite des Rohextrudates abnimmt und die Dicke des Rohextrudates zunimmt während des Verformens des Rohextrudates in der Pultrusionseinheit.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden in der Pultrusionseinheit, insbesondere in dem Pultrusionskanal, die Fasern mit der erhärtbaren Matrix stoffschlüssig verbunden. Es hängt von der Art des verwendeten Rohextrudates ab, ob in der Pultrusionseinheit die Fasern mit der Matrix stoffschlüssig verbunden werden.
In einer zusätzlichen Variante werden während des Bewegens des Rohextrudates durch den Pultrusionskanal der Pultrusionseinheit die Fasern und vorzugsweise die erhärtbare Matrix mit einer Zugkraft beansprucht.
In einer weiteren Ausführungsform weist die wenigstens eine Wandung als Bewegungswandung eine konkave und/oder konvexe Oberfläche auf und die konkave und/oder konvexe Oberfläche der Bewegungswandung liegt auf dem Rohextrudat auf, so dass eine komplementäre Geometrie in die Außenseite des Rohextrudates eingearbeitet wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird eine vorhandene Grundstruktur mit wenigstens einer Verstärkungsstruktur zu einer Tragstruktur verstärkt mit den Schritten: Herstellen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur, Verbinden der wenigstens einen Verstärkungsstruktur mit der Grundstruktur, so dass die wenigstens eine Verstärkungsstruktur in einer Verbindungsposition mit der Grundstruktur verbunden ist und die Grundstruktur zusammen mit der wenigstens einen Verstärkungsstruktur die Tragstruktur bildet, wobei die wenigstens eine Verstärkungsstruktur, insbesondere sämtliche Verstärkungsstrukturen, aus einem Verbundmaterial mit Fasern und einer Matrix mittels Pultrusion und/oder mit Extrusion hergestellt wird bzw. werden und eine Pultrusionseinheit und/oder eine Extrusionseinheit und/oder eine Prozesseinheit im Raum bewegt wird, so dass die wenigstens eine Verstärkungsstruktur, insbesondere sämtliche Verstärkungsstrukturen, nach der Pultrusion und/oder Extrusion jeweils an der erforderlichen Verbindungsposition auf die Grundstruktur pultrudiert und/oder extrudiert wird bzw. werden und die Verstärkungsstruktur als ein Extrudat mit einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahren hergestellt wird.
Erfindungsgemäße Prozesseinheit, umfassend: eine Pultrusionseinheit mit einem Pultrusionskanal und der Pultrusionskanal von wenigstens einer formgebenden Wandung begrenzt ist, eine Extrusionseinheit mit einem Extrusionskanal und einer Öffnung zum Austritt des Extrudates aus dem Extrusionskanal, eine Fördereinrichtung zum Fördern eines Rohextrudates von der Pultrusionseinheit in die Extrusionseinheit, wobei der Pultrusionskanal teilweise offen ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Pultrusionskanal im Querschnitt wenigstens teilweise im Wesentlichen u-förmig oder v-förmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird das Verfahren mit einer in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Prozesseinheit ausgeführt.
Vorzugsweise ist die in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Prozesseinheit eine Prozesseinheit zur Ausführung des in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahrens.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Rohextrudat in der Extrusionseinheit durch einen Extrusionskanal bewegt.
Vorzugsweise umfasst der zweite Teil der Außenseite des Rohextrudates wenigstens 10%, 20% oder 30% der gesamten Außenseite des Rohextrudates, insbesondere in einem Schnitt senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates in dem Pultrusionskanal.
In einer weiteren Ausgestaltung wird, insbesondere am Anfang und Ende der Pultrusionseinheit, mit Spannvorrichtungen, insbesondere Spannrollen, auf das Rohextrudat eine Kraft, insbesondere Zugkraft, aufgebracht, so dass das Rohextrudat, insbesondere die Fasern in dem Pultrusionskanal, in der Pultrusionseinheit eine Zugkraft aufweisen. In einer weiteren Ausgestaltung wird mit wenigstens einer Umlenkvorrichtung, insbesondere wenigstens einer Umlenkroll, das Rohextrudat vor dem Einführen in den Pultrusionskanal und/oder nach dem Ausführen aus dem Pultrusionskanal umgelenkt, so dass vorzugsweise das Rohextrudat beim Einführen in einem Winkel ai und/oder beim Ausführen in einem Winkel 02 zu einer Ebene senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Rohextrudates in dem Pultrusionskanal ausgerichtet ist. Der Winkel CM und der Winkel 02 liegt vorzugsweise zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 20° und 80°.
Zweckmäßig bildet die wenigstens eine Spannvorrichtung auch wenigstens eine Umlenkeinrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform wird bzw. werden mit der pultrudierten und/oder extrudierten wenigstens einen Verstärkungsstruktur, insbesondere sämtlichen Verstärkungsstrukturen, nach dem Pultrudieren und/oder Extrudieren und dem Auflegen auf die Grundstruktur keine Bewegung relativ zu der Grundstruktur ausgeführt und/oder die Matrix der pultrudierten und/oder extrudierten Verstärkungsstruktur, insbesondere sämtliche Verstärkungsstrukturen, an der erforderlichen Verbindungsposition an und/oder auf der Grundstruktur erhärtet und/oder die Pultrusion und Extrusion gleichzeitig und/oder kontinuierlich ausgeführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird für die Herstellung des Extrudates als erster Schritt das Pultrudieren ausgeführt und als zweiter Schritt wird das Extrudieren ausgeführt, so dass das in dem ersten Schritt teilweise hergestellte pultrudierte Rohextrudat in dem zweiten Schritt mit Extrudieren nachbearbeitet wird bzw. werden.
Zweckmäßig wird das Extrudat, insbesondere die Verstärkungsstruktur, vorzugsweise sämtliche Verstärkungsstrukturen, insbesondere kontinuierlich, hergestellt wird bzw. werden, indem die Pultrusionseinheit und/oder Extrusionseinheit und/oder Prozesseinheit, insbesondere kontinuierlich, im Raum in einer Bewegungsbahn bewegt wird an und/oder im Bereich der erforderlichen Verbindungsposition in einem oder keinem Abstand zu der Grundstruktur. Der Abstand ist im Bereich zwischen 0 mm und weniger mm oder cm. Die Pultrusionseinheit und/oder Extrusionseinheit und/oder Prozesseinheit wird im Wesentlichen an der erforderlichen Verbindungsposition bewegt, da nach dem Austreten der wenigstens einen Verstärkungsstruktur aus der Prozesseinheit die Verstärkungsstruktur noch einen geringen oder keinen Abstand zu der Grundstruktur aufweist.
In einer weiteren Variante wird die Grundstruktur von der Extrusionseinheit plastisch und vorzugsweise elastisch während des Bewegens der Extrusionseinheit im Raum verformt, so dass aufgrund der plastischen Verformung der Grundstruktur wenigstens eine Aussparung in der Grundstruktur ausgebildet wird und in die wenigstens eine Aussparung die wenigstens eine Verstärkungsstruktur an der erforderlichen Verbindungsposition eingelegt wird.
Zweckmäßig wird die Pultrusionseinheit und/oder Extrusionseinheit und/oder Prozesseinheit mit einem Roboter bewegt und/oder nach dem Pultrudieren und/oder Extrudieren je eines Extrudates mit einer Schneideeinheit das Extrudat mit den Fasen und der Matrix abgetrennt wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung werden das Rohextrudat und/oder das Extrudat kontinuierlich zuerst durch die Pultrusionseinheit und anschließend durch die Extrusionseinheit gefördert.
Zweckmäßig werden Hybridgarne oder Composite Tapes mit Fasern und Matrix zu der Pultrusionseinheit gefördert oder die Fasern und die Matrix werden getrennt zu der Pultrusionseinheit gefördert.
In einer zusätzlichen Ausführungsform werden in der Pultrusionseinheit während der Pultrusion mittels der Matrix die Fasern stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere indem die Matrix erwärmt und/oder erhärtet wird und/oder die Matrix während des Fördern von der Pultrusionseinheit zu der Extrusionseinheit abgekühlt und/oder erhärtet wird, so dass dadurch die Fasern stoffschlüssig miteinander verbunden werden und/oder mittels einer Fördereinrichtung, beispielsweise zwei Förderrädern, das Rohextrudat gefördert wird, insbesondere indem die Fördereinrichtung auf das Rohextrudat während des Fördern des Rohextrudates von der Pultrusionseinheit zu der Extrusionseinheit auf das Rohextrudat einwirkt und/oder die Fasern und die Matrix mittels Pultrusion zuerst verformt und vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere mittels Erwärmen und/oder Erhärten der Matrix, miteinander verbunden werden und anschließend beim Extrudieren in der Extrusionseinheit wenigstens teilweise die Querschnittsform des Extrudates ausgeformt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird als Rohextrudat eine Anordnung und/Mischung von Matrix und Fasern verstanden, unabhängig davon, ob die Fasern mit der Matrix stoffschlüssig verbunden sind oder nicht.
Zweckmäßig weist das Extrudat einen maximalen Durchmesser kleiner als 10 mm, 5 mm, 3 mm, 1 mm oder 0,7 mm auf. Das Extrudat weist beispielsweise eine Querschnittsform als Rechteck, Quadrat oder Ellipse auf mit einem maximalen Durchmesser kleiner als 10 mm, 5 mm, 3 mm, 1 mm oder 0,7 mm.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Rohextrudat in der Pultrusionseinheit erwärmt, insbesondere mit einer Heizeinrichtung.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird in der Extrusionseinheit das Rohextrudat und/oder Extrudat verformt.
Zweckmäßig wird in der Pultrusionseinheit das Rohextrudat zuerst erwärmt, während des Förderns des Rohextrudates von der Pultrusionseinheit zu der Extrusionseinheit das Rohextrudat abkühlt und in der Extrusionseinheit das Rohextrudat nochmals erwärmt wird. Zweckmäßig wird das Rohextrudat in der Pultrusionseinheit mit einer, vorzugsweise ersten, Kühleinrichtung, aktiv gekühlt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Extrudat nach dem Fördern durch die Extrusionseinheit mit einer, vorzugsweise zweiten, Kühleinrichtung, beispielsweise einem Gebläse, aktiv gekühlt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Extrudat mit Kunststoff, vorzugsweise thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoff und/oder Kunststoff als reaktiver Hotmelt bzw. reaktiver Schmelzklebstoff bzw. reaktiver Schmelzpolymer, als Matrix hergestellt. Kunststoffe als reaktiver Hotmelt bzw. reaktiver Schmelzklebstoff bzw. reaktiver Schmelzpolymer sind Kunststoffe die, vorzugsweise zunächst thermoplastische Eigenschaften aufweisen und/oder ein thermoplastischer Kunststoff sind, und nach wenigstens einem Veränderungsparameter, beispielsweise das Erwärmen bzw. Erhitzen und/oder das Aussetzten an Feuchtigkeit und/oder der Bestrahlung mit UV-Licht und/oder einem Sauerstoffentzug, durch eine chemische Veränderung, insbesondere wenigstens eine chemische Reaktion, duroplastische Eigenschaften aufweisen und/oder ein duroplastischer Kunststoff sind. Bei einem Veränderungsparameter des Erwärmens bzw. Erhitzens kann das Erwärmen und/oder Erhitzen in der Pultrusionseinheit und/oder Extrusionseinheit als Veränderungsparameter genutzt werden. Duroplastische Kunststoffe sind auch bei einem Erwärmen bzw. Erhitzen zu 100% ein Festkörper, d. h. das Erhärten ist nicht durch Erwärmen umkehrbar. Das Erwärmen und/oder Erhitzen in der Pultrusionseinheit und/oder Extrusionseinheit wird beispielsweise auf Temperaturen zwischen 60°C und 200° C ausgeführt. Bei einem reaktiven Hotmelt beispielsweise auf Basis von Polymeren wird die chemische Veränderung durch eine Verbindung zwischen bestehenden Makromolekularketten (sog. Cross links) ausgeführt. Reaktive Hotmelts sind beispielsweise auf Basis von EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat) und Polyester oder auf Basis von PA (Polyamid) oder auf Basis von Polymeren oder auf Basis von PUR aufgebaut. Reaktive Hotmelts können auch teilweise Stoffe aufweisen, die keine Kunststoffe bzw. Klebstoffe sind. Klebstoffe werden insofern auch als Kunststoffe betrachtet. Wesentliche Eigenschaft des reaktiven Hotmelts bzw. reaktiven Schmelzklebstoffes bzw. reaktiven Schmelzpolymers ist somit, dass nach dem Erhärten aufgrund des Einwirkens des wenigstens einen Veränderungsparameters ein Erwärmen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur kein Schmelzen des reaktiven Hotmelts bzw. der Matrix aus dem reaktiven Hotmelt bewirkt, so dass trotz des Erwärmens auf für die Anwendung normale Temperaturen, beispielsweise auf Temperaturen bis 200° C oder 300° C, die Tragfähigkeit und/oder Steifigkeit des Extrudates weiterhin gewährleistet ist.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung wird das Extrudat mit Fasern als Glasfasern, Karbonfasern und/oder Aramidfasern, hergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform wird vor dem Auflegen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur auf die Oberfläche der Grundstruktur an der Oberfläche der Grundstruktur lokal im Bereich einer späteren Kontaktfläche zwischen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur und der Grundstruktur der Werkstoff der Grundstruktur abgetragen.
Vorzugsweise wird die Grundstruktur spanabhebend abgetragen, insbesondere mit einem Werkzeug, vorzugsweise Fräswerkzeug, und das Werkzeug wird von einem Roboter entlang der Oberfläche der Grundstruktur bewegt.
In einer zusätzlichen Variante wird in die Grundstruktur aufgrund des Abtragens und/oder Verformens, insbesondere plastischen Verformens, des Werkstoffes der Grundstruktur eine, vorzugsweise längliche, Aussparung eingearbeitet und in die Aussparung wird anschließend die wenigstens eine Verstärkungsstruktur eingeführt, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur und der Grundstruktur an der Aussparung, insbesondere nach dem Abkühlen und Erhärten der Matrix, ausgebildet wird. In einer ergänzenden Ausgestaltung wird vor dem Auflegen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur auf die Oberfläche der Grundstruktur die Oberfläche der Grundstruktur lokal im Bereich einer späteren Kontaktfläche zwischen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur und der Grundstruktur mit einer Grundstrukturheizeinrichtung, insbesondere einem Laser oder einem Infrarotstrahler oder einem Heizgebläse, erwärmt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Grundstrukturheizeinrichtung von einem Roboter entlang der Oberfläche der Grundstruktur bewegt und/oder aufgrund des Erwärmens der Oberfläche der Grundstruktur wird lokal im Bereich einer späteren Kontaktfläche zwischen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur und der Grundstruktur der Werkstoff der Grundstruktur seine Eigenschaft verändert, insbesondere zähfließend und/oder klebrig und/oder flüssig, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Matrix der wenigstens einen Verstärkungsstruktur und dem Werkstoff der Grundstruktur, insbesondere nach dem Abkühlen, ausgebildet wird.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird vor dem Auflegen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur auf die Oberfläche der Grundstruktur lokal im Bereich einer späteren Kontaktfläche zwischen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur und der Grundstruktur mit einer Zugabevorrichtung ein Stoff, insbesondere ein Klebstoff und/oder ein Haftvermittler, zur Verbesserung der Verbindung zwischen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur und der Grundstruktur aufgebracht.
Vorzugsweise wird die Zugabevorrichtung von einem Roboter entlang der Oberfläche der Grundstruktur bewegt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung wird zuerst die Grundstruktur hergestellt oder zur Verfügung gestellt und anschließend wird die wenigstens eine Verstärkungsstruktur hergestellt.
Zweckmäßig wird die Grundstruktur mit einem anderen Verfahren hergestellt als die wenigstens eine Verstärkungsstruktur. Zweckmäßig ist die Grundstruktur aus Metall, insbesondere Stahl und/oder Aluminium, und/oder aus Kunststoff, insbesondere faserverstärkten Kunststoff oder Styropor oder Plastikschaum oder Plastik, und/oder in Sandwichbauweise aus zwei unterschiedlichen Materialien ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Grundstruktur als ein flächiges Bauteil, eine Platte, eine Scheibe, eine Teilkugelschale, eine Kuppel, ein Rotationsteilellipsoid, eine Wanne oder ein Becher ausgebildet.
Die Erfindung umfasst ferner ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt einer Prozesseinheit mit einer
Pultrusionseinheit und Extrusionseinheit zur Durchführung des Verfahrens,
Fig. 2 eine Seitenansicht der Prozesseinheit während der Durchführung des Verfahrens, Fig. 3 einen Querschnitt einer Grundstruktur vor dem Aufbringen einer Verstärkungsstruktur,
Fig. 4 den Querschnitt der Grundstruktur gemäß Fig. 3 nach dem
Aufbringen der Verstärkungsstruktur,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Pultrusionseinheit aus dem
Stand der Technik, Fig. 6 einen Schnitt A-A der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 6,
Fig. 7 einen Schnitt B-B der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 6,
Fig. 8 einen Schnitt C-C der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 6,
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Pultrusionseinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 10 einen Längsschnitt der Pultrusionseinheit durch einen
Pultrusionskanal,
Fig. 11 einen Schnitt A-A der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 9,
Fig. 12 einen Schnitt B-B der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 9,
Fig. 13 einen Schnitt C-C der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 9
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Pultrusionseinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 15 einen Schnitt A-A der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 14,
Fig. 16 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Pultrusionseinheit in einem dritten Ausführungsbeispiel, Fig. 17 einen Schnitt A-A der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 16,
Fig. 18 einen Schnitt B-B der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 16,
Fig. 19 einen Schnitt C-C der Pultrusionseinheit gemäß Fig. 16,
Fig. 20 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Pultrusionseinheit in einem vierten Ausführungsbeispiel,
Fig. 21 einen Querschnitt eines Pultrusionskanales in einem ersten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 22 einen Querschnitt eines Pultrusionskanales in einem zweiten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 23 einen Querschnitt eines Pultrusionskanales in einem dritten
Ausführungsbeispiel, Fig. 24 einen Querschnitt eines Pultrusionskanales in einem vierten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 25 einen Querschnitt einer Rolle in einem ersten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 26 einen Querschnitt einer Rolle in einem zweiten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 27 einen Querschnitt einer Rolle in einem dritten
Ausführungsbeispiel,
Fig. 28 einen Querschnitt einer Rolle in einem vierten
Ausführungsbeispiel Fig. 29 eine Ansicht einer erhärtbaren Masse und von Fasern in einem ersten Ausführungsbeispiel für die Zuführung in die Pultrusionseinheit und
Fig. 30 eine Ansicht einer erhärtbaren Masse und von Fasern in einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Zuführung in die Pultrusionseinheit.
In Fig. 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Prozesseinheit 5 zur Herstellung einer Verstärkungsstruktur 1 als ein Extrudat 40 dargestellt. Die Prozesseinheit 5 umfasst eine Pultrusionseinheit 6 und eine Extrusionseinheit 7. In der Pultrusionseinheit 6 ist ein Pultrusionskanal 9 ausgebildet und in einer Richtung von rechts nach links als einer Bewegungsrichtung 54 eines Rohextrudates 41 gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist der Pultrusionskanal 9 an einem Abschnitt zunächst konisch verjüngend mit einer sich verkleinernden Breite 42 ausgebildet und anschließend mit einer konstanten Breite 42. Der Pultrusionskanal 9 ist von formgebenden Wandungen 46 begrenzt. An dem Pultrusionskanal 9 ist in einer Richtung gemäß der Darstellung in Fig. 1 von rechts nach links als der Bewegungsrichtung 42 sowie in einer Förderrichtung von Hybridgarnen 21 bzw. des herzustellenden Extrudates 40 zuerst eine erste Heizeinrichtung 8 angeordnet und anschließend eine erste Kühleinrichtung 10. Die Heizeinrichtung 8 und die Kühleinrichtung 10 bilden auch die formgebenden Wandungen 46. An der ersten Kühleinrichtung 10 ist ein Kühlkanal 11 ausgebildet, durch den ein Kühlfluid durchgeleitet wird zur Kühlung des Rohextrudates 41. Der Pultrusionskanal 9 ist unter der Zeichenebene von Fig. 1 von einer weiteren, nicht dargestellten formgebenden Wandung 46 begrenzt und über der Zeichenebene von Fig. 1 ist keine formgebende Wandung 46 vorhanden. Ein erster Teil 52 der Außenseite 51 des
Rohextrudates 41 bzw. der Matrix 44 mit den Fasern 45 liegt auf den formgebenden Wandungen 46 der Pultrusionseinheit 6 auf. Ein anderer, nicht in Fig. 1 dargestellter zweiter Teil 53 der Außenseite 51 des
Rohextrudates 41 weist keinen Kontakt zu einer formgebenden Wandung 46 auf und steht nur in Kontakt mit der Umgebungsluft. Der Pultrusionskanal 9 ist somit teilweise offen über der Zeichenebene von Fig. 1 ausgebildet. Als ein Rohextrudat 41 wird bereits eine Anordnung und/oder Mischung aus Matrix 44 und Fasern 45 betrachtet vor dem Einführen in den Pultrusionskanal 9, so dass die Matrix 44 und die Fasern 45 auch im gesamten Pultrusionskanal 9 und vor dem Pultrusionskanal 9 als Rohextrudat 41 bezeichnet werden ohne oder mit einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Fasern 45 und der Matrix 44.
Die Extrusionseinheit 7 umfasst einen Extrusionskanal 15 und der Extrusionskanal 15 umfasst einen ersten sich konisch verjüngenden Abschnitt und einen zweiten Abschnitt mit einem konstanten Durchmesser. An dem zweiten Abschnitt des Extrusionskanales 15 mit dem konstanten Durchmesser ist eine zweite Heizeinrichtung 16 ausgebildet. Die erste und zweite Heizeinrichtung 8, 16 ist vorzugsweise als eine elektrische Widerstandsheizung ausgebildet. In der Förderrichtung des Extrudates 40 durch den Extrusionskanal 15 ist zuerst der konisch sich verjüngende Abschnitt des Extrusionskanales 15 und anschließend der Abschnitt des Extrusionskanales 15 mit dem konstanten Durchmesser ausgebildet. Zwischen der Pultrusionseinheit 6 und der Extrusionseinheit 7 ist eine Fördereinrichtung 12 ausgebildet. Die Fördereinrichtung 12 umfasst ein erstes Förderrad 13 und ein zweites Förderrad 14, welche von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben werden. Das Rohextrudat 41 ist zwischen den beiden Förderräden 13, 14 angeordnet, so dass das Rohextrudat 41 mit der Fördereinrichtung 12 aus der Pultrusionseinheit 6 herausgezogen wird und mit der Fördereinrichtung 12 in die Extrusionseinheit 7 eingeschoben wird.
Die Pultrusionseinheit 6 und die Extrusionseinheit 7 sind mit einem Verbindungsteil 20, beispielsweise einem in Fig. 1 nur teilweise dargestellten Gehäuse, miteinander verbunden. An dem Verbindungsteil 20 ist ferner ein Zuführungsteil 23 mit drei Führungsbohrungen 24 befestigt. Auf drei Rollen 22 als Speicherrollen 22 ist jeweils ein Hybridgarn 21 aufgerollt. Das Hybridgarn 21 besteht aus einer Faser 45 als Glasfaser 45 und weist ferner die Matrix 44 aus einem thermoplastischen Kunststoff auf. Die Matrix 44 als dem thermoplastischen Kunststoff ist dabei in dem Hybridgarn 21 als eine faserförmige Matrix 44 bzw. als eine Matrixfaser 44 angeordnet. Das Hybridgarn 21 ist biegbar und kann somit von der Rolle 22 abgerollt werden. An der Extrusionseinheit 7 ist ferner eine zweite Kühleinheit 17 befestigt. Die zweite Kühleinheit 17 umfasst ein Gebläse 18 und ein Kühlrohr 19. Mittels des Gebläses 18 wird Umgebungsluft durch das Kühlrohr 19 geleitet, gezielt zu dem Bereich der Verstärkungsstruktur 1 unmittelbar nach dem Verlassen der Extrusionseinheit 7. Eine Schneideeinheit 25 dient dazu, das an der Extrusionseinheit 7 extrudierte Extrudat 40 soweit erforderlich abzuschneiden und dadurch ein Ende des Extrudates 40 hersteilen zu können.
Während der Herstellung der Verstärkungsstruktur 1 als dem Extrudat 40 aus dem Verbundmaterial 29 mit den Fasern 45 und der Matrix 44 wird das Extrudat 40 gemäß der Darstellung in Fig. 1 zuerst durch die Pultrusionseinheit 6 und anschließend durch die Extrusionseinheit 7 mittels der Fördereinrichtung 12 gefördert, jedoch erfolgen beide Vorgänge aufgrund der Länge der Stäbe 2 und Abstandes zwischen der Pultrusionseinheit 6 und der Extrusionseinheit 7 gleichzeitig. Während des Förderns des Rohextrudates 41 wird somit der Hybridgarn 21 von den drei Rollen 22 abgerollt und in den konisch sich verjüngenden Abschnitt des Pultrusionskanales 9 eingeführt. An dem sich konisch verjüngenden Abschnitt des Pultrusionskanales 9 mit einer sich verkleinernder Breite 42 in der Bewegungsrichtung 54 werden die drei Hybridgarne 21 mit der ersten Heizeinrichtung 8 erwärmt, so dass der thermoplastische Kunststoff der Matrix 44 an den Hybridgarnen 21 schmilzt und dadurch die Glasfasern 45 in den drei Hybridgarnen 21 mittels der Matrix 44 aus dem thermoplastischen Kunststoff stoffschlüssig miteinander verbunden werden als Prozessschritt der Pultrusion. Ferner wird in der Pultrusionseinheit 6 als weiterer Prozessschritt ein Umformen oder Verformen der Matrix 44 und der Fasern 45 bzw. des Rohextrudates 41 ausgeführt, damit das aus der Pultrusionseinheit 6 austretende Rohextrudat 41 die geeignete Form für die Extrusionseinheit 7 aufweist. Anschließend wird das Rohextrudat 41 zu dem Abschnitt des
Pultrusionskanales 9 mit der ersten Kühleinrichtung 10 gefördert bzw. bewegt, so dass dadurch das Rohextrudat 41 abgekühlt und dadurch teilweise erhärtet wird. Nach dem Austreten des Rohextrudates 41 wird das Rohextrudat 41 von der Fördereinrichtung 12 in die Extrusionseinheit 7 eingefördert bzw. hineingeführt. Aufgrund des Abkühlens des Rohextrudates 41 in der ersten Kühleinrichtung 10 kann das Rohextrudat 41 von der Fördereinrichtung 12 gefördert werden. In der Extrusionseinheit 7 wird das Rohextrudat 41 als Verbundmaterial 29 mit den Fasern 45 und der Matrix 44 an dem Abschnitt des Extrusionskanales 15 mit dem konstanten
Durchmesser von der zweiten Heizeinrichtung 16 wieder soweit erwärmt, dass an dem Endbereich in der Förderrichtung des Extrusionskanales 15 die abschließende Formgebung der Querschnittsform der herzustellenden Verstärkungsstruktur 1 an einer Öffnung 60 als dem Ende des
Extrusionskanales 15 ausgeformt wird. Die Öffnung 60 weist eine kreisförmige Querschnittsform auf, so dass dadurch mittels der
Prozesseinheit 5 Verstärkungsstrukturen 1 als Extrudate 40 mit einem kreisförmigen Querschnitt hergestellt werden. Nach dem Austreten des Extrudates 40 aus dem Extrusionskanal 15 der Extrusionseinheit 7 wird von dem Gebläse 18 durch das Kühlrohr 19 Umgebungsluft als Kühlluft zu dem Stab 2 als Extrudat 40 geleitet, so dass dadurch eine schnellere Abkühlung der Verstärkungsstrukturen 1 erreicht werden kann.
Die mit dem Verfahren hergestellten Verstärkungsstrukturen 1 als Extrudate 40 sind als gerade oder gekrümmte Stäbe 2 ausgebildet. Die Stäbe 2 werden von der Prozesseinheit 5 an den erforderlichen Verbindungsposition auf einer Grundstruktur 4 hergestellt, so dass die Prozesseinheit 5 auf einer Bewegungsbahn 26 als einer Geraden 27 oder gekrümmten Linie 27 mittels Bewegungsarmen 28 eines in Fig. 2 stark vereinfacht dargestellten Roboters bewegt wird. Die Bewegungsbahn 26 als Gerade 27 oder gekrümmte Linie 27 entspricht dabei im Wesentlichen der Längsachse der von der Prozesseinheit 5 hergestellten Verstärkungsstruktur 1. Nach der Herstellung der Stäbe 2 und dem Auflegen der Stäbe 2 bzw. der Verstärkungsstrukturen 1 auf die Oberfläche der Grundstruktur 4 ist keine Relativbewegung bzw. Bewegung der hergestellten Stäbe 2 zu anderen bereits hergestellten oder noch herzustellenden Stäbe 2 oder zu der Grundstruktur 2 erforderlich, da die Stäbe 2 mit der Prozesseinheit 5 bereits an der erforderlichen Verbindungsposition auf der Grundstruktur 4 hergestellt werden. In Fig. 2 sind die Rollen 22 und die Hybridgarne 21 nicht dargestellt. Die Verstärkungsstruktur 1 besteht aus Stäben 2 aus dem Verbundmaterial 29, nämlich mit Fasern 45 als Glasfasern 45 und der Matrix 44 als thermoplastischen Kunststoff.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Prozesseinheit 5 sind an den Rollen 22 die Fasern, z. B. Glas-, Aramid- oder Karbonfasern, aufgewickelt und die Matrix als dem thermoplastischen Kunststoff wird gesondert in einem Behälter mit einer Behälterheizung in einem erwärmten Zustand aufbewahrt und mittels einer nicht dargestellter Matrixfördereinrichtung zu der Pultrusionseinheit 6 gefördert. Die Pultrusionseinheit 6 und die Extrusionseinheit 7 kann auch als nur ein Bauteil ausgebildet sein, indem beispielsweise nach dem Pultrudieren unmittelbar das Extrudieren, d. h. die abschließende Formgebung einer Außenseite 33 des Stabes 2 als Extrudat 40 ausgeführt wird, ohne dass die Fördereinrichtung 12 zwischen der Extrusionseinheit 7 und der Pultrusionseinheit 6 angeordnet ist.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird anstelle von thermoplastischem Kunststoff als der Matrix ein duroplastischer Kunststoff oder ein Kunststoff als ein reaktiver Hotmelt bzw. reaktiver Schmelzklebstoff bzw. reaktiver Schmelzpolymer eingesetzt. Der duroplastische Kunststoff wird gesondert in einem Behälter gelagert und mittels einer
Matrixfördereinrichtung der Extrusionseinheit 7 und/oder der
Pultrusionseinheit 6 zugeführt. Das Erhärten des duroplastischen Kunststoffes erfolgt dabei mittels einer Bestrahlung oder einer Zugabe von chemischen Additiven. Das Erhärten des Kunststoffes als reaktiver Hotmelt bzw. reaktiver Schmelzklebstoff bzw. reaktiver Schmelzpolymer wird insbesondere durch das Erwärmen als Veränderungsparameter während der Verarbeitung der Matrix in der Pultrusionseinheit 6 und/oder in der Extrusionseinheit 7 ausgeführt. Abweichend hiervon kann das Erhärten des Kunststoffes als reaktiver Hotmelt auch durch Feuchtigkeit und/oder UV-Licht und/oder Sauerstoffentzug ausgeführt werden. Bei einer Erhärtung durch UV-Licht erfolgt somit nach dem Auflegen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur 1 auf die Grundstruktur 4 eine Bestrahlung der wenigstens einen Verstärkungsstruktur 1 mit UV-Licht mittels einer UV- Lichtquelle (nicht dargestellt).
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Prozesseinheit 5 sind an den Rollen 22 die Composite Tapes aufgewickelt. Bei Composite Tapes sind aufgrund einer Vorkonsolidierung der Matrix 44 die Fasern 45 bereits mit der Matrix 44 wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, stoffschlüssig verbunden, so dass in der Pultrusionseinheit 6 im Regelfall nur noch eine geringfügige stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fasern 45 und der Matrix 44 hergestellt wird.
An der Prozesseinheit 5 sind Vorbearbeitungseinrichtungen 34, 36, 38 als ein Werkzeug 34 als ein Fräswerkzeug 35, eine Grundstrukturheizeinrichtung 36, beispielsweise ein Laser 37 oder ein Infrarotstrahler 38, und eine Zugabevorrichtung 39 für Klebstoff 31 befestigt (nur in Fig. 2 dargestellt). Das Werkzeug 34, die Grundstrukturheizeinrichtung 36 und die Zugabevorrichtung 39 sind mit mechanischen Einrichtungen relativ zu der Prozesseinheit 5 beweglich, so dass die Vorbearbeitungseinrichtungen 34, 36, 38 an unterschiedliche Bewegungsbahnen 26 mit unterschiedlichen Oberflächen von Grundstrukturen 4 in der erforderlichen Position angeordnet werden können. Vor dem Auflegen der an der Prozesseinheit 5 hergestellten Verstärkungsstruktur 1 auf die Oberfläche der Grundstruktur 4 wird mit dem Fräswerkzeug 35 eine längliche Aussparung 32 (Fig. 3) mit einer beliebigen Querschnittsform, abhängig von der Geometrie des Fräswerkzeuges 35, in die Grundstruktur 4 eingefräst. Die Aussparungen 32 weisen dabei einen Hinterschnitt auf, so dass nach dem Abkühlen und Erhärten des Verbundmateriales 29 mit den Fasern und der Matrix innerhalb der Aussparung 32 eine formschlüssige Verbindung der Stäbe 2 als Verstärkungsstruktur 1 an der Grundstruktur 1 , beispielsweise Platten 30, ausgebildet ist.
Anschließend wird die Oberfläche der Grundstruktur 4 im Bereich der Aussparung 32 mit der Grundstrukturheizeinrichtung 36 erwärmt, so dass sich die Matrix des Verbundmateriales 29 stoffschlüssig mit dem Werkstoff der Grundstruktur 4 verbinden kann und nach dem Abkühlen und Erhärten des Verbundmateriales 29 und der Grundstruktur 4 eine feste stoffschlüssige Verbindung zwischen der Grundstruktur 4 und der Verstärkungsstruktur 1 besteht.
Anschließend wird mit der Zugabevorrichtung 39 wird auf die Oberfläche der Grundstruktur 4 im Bereich der Aussparung 32 Klebstoff 31 aufgebracht, um nach dem Auflegen der Verstärkungsstruktur 1 auf die Grundstruktur 4 und dem Erhärten des Klebstoffes 31 die Verstärkungsstruktur 1 stoffschlüssig mit der Grundstruktur 4 zu verbinden. Im Allgemeinen wird abhängig vom Werkstoff der Grundstruktur 4 nur die Grundstrukturheizeinrichtung 36 oder nur die Zugabevorrichtung 39 betrieben. Bei einer Grundstruktur 4 aus Metall, beispielsweise Stahl oder Aluminium, wird nur die Zugabevorrichtung 39 und nicht die Grundstrukturheizeinrichtung 36 betrieben. Bei einer Grundstruktur 4 aus thermoplastischen Kunststoff wird nicht die Zugabevorrichtung 39 und nur die Grundstrukturheizeinrichtung 36 betrieben.
In den Fig. 5 bis 8 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Pultrusionseinheit 5 einer aus dem Stand der Technik bekannten Prozesseinheit 5 (nicht dargestellt) dargestellt, wobei aus Gründen der Einfachheit notwendige Funktionskomponenten wie eine erste Heizeinrichtung oder eine erste Kühleinrichtung nicht dargestellt sind. Das Rohextrudat 41 wird durch einen Pultrusionskanal 9 bewegt. Der in der Querschnittsform kreisförmige und sich in der Bewegungsrichtung 54 des Rohextrudates 41 konisch verjüngende Pultrusionskanal 9 ist von einer formgebenden Wandung 46 des Pultrusionseinheit 6 begrenzt. Die gesamte Außenseite 51 des Rohextrudates 41 liegt in dem Schnitt in Fig. 6 bis 8 senkrecht zu der Bewegungsrichtung 54 des Rohextrudates 41 auf der formgebenden Wandung 46 auf, so dass ein geschlossener Pultrusionskanal 9 vorhanden ist. Bei einer kleinen Querschnittsform des Pultrusionskanales 9, insbesondere im Endbereich, im Bereich kleiner als 1 mm Durchmesser kann es dadurch bei Materialtoleranzen der Fasern 45 und der Matrix 44 zu Verstopfungen und Blockaden kommen, so dass die Pultrusionseinheit 6 nicht mehr funktionsfähig ist, d. h. die Prozesseinheit 5 kein Extrudat 40 mehr herstellen kann. Die dem Rohextrudat 41 zur Verfügung stehende Querschnittsfläche ist von dem geschlossenen Pultrusionskanal 9 begrenzt und lokale Erhöhungen der Querschnittsfläche des Rohextrudates 41 zur Vermeidung von Blockaden sind konstruktiv ausgeschlossen. Aufgrund der geschlossenen Form des Pultrusionskanales 9 weist das Rohextrudat 41 einen großen Druck auf, der aufgrund der sich verkleinernden Querschnittsfläche während der Bewegung des Rohextrudates 41 durch den Pultrusionskanal 9 stark zunimmt.
In den Fig. 9 bis 13 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Pultrusionseinheit 6 der erfindungsgemäßen Prozesseinheit 5 dargestellt. Aus Gründen der Einfachheit sind notwendige Funktionskomponenten wie eine erste Heizeinrichtung oder eine erste Kühleinrichtung nicht dargestellt. An den formgebenden Wandungen 46 ist eine Heizeinrichtung (nicht dargestellt) ausgebildet, so dass das Rohextrudat 41 von den beheizten formgebenden Wandungen 46 erwärmt wird, damit die Matrix 44 verformt werden kann und sich optional die Fasern 45 stoffschlüssig mit der Matrix 44 verbinden bei der Pultrusion in der Pultrusionseinheit 6. In der Pultrusionseinheit 6 werden somit die Prozessschritte des Verformens des Rohextrudates 41 und vorzugsweise des stoffschlüssigen Verbindens der Fasern 45 mit der Matrix 44 ausgeführt. Der im Wesentlichen u-förmige Pultrusionskanal 9 ist teilweise offen, so dass das Rohextrudat 41 an der Außenseite 51 an einem ersten Teil 52 der Außenseite 51 auf feststehenden formgebenden Wandungen 46 aufliegt und an einem zweiten Teil 53 der Außenseite 51 die Außenseite 51 keinen Kontakt zu der formgebenden Wandung 46 aufweist, d. h. lediglich in Kontakt zur Umgebungsluft steht. Das Rohextrudat 41 weist wegen des offenen zweiten Teils 52 der Außenseite 51 einen sehr kleinen und im Wesentlichen konstanten Druck während des Bewegens des Rohextrudates 41 durch den Pultrusionskanal 6 auf.
Die drei, insbesondere in einer Bewegungsrichtung 54 des Rohextrudates 41 , feststehenden formgebenden Wandungen 46 stehen in dem Schnitt in Fig. 11 bis 13 senkrecht zu der Bewegungsrichtung 54 des Rohextrudates 41 aufeinander senkrecht und zwei formgebende Wandungen 46 sind in dem Schnitt parallel zueinander ausgerichtet. Das Rohextrudat 41 in dem Pultrusionskanal 9 weist eine Breite 42 und eine Dicke 43 auf. Die in dem Schnitt parallel zueinander ausgerichteten formgebenden Wandungen 46 sind ferner in der Bewegungsrichtung 54 des Rohextrudates 41 konisch verjüngend zueinander ausgebildet (Fig. 9), so dass bei der Bewegung des Rohextrudates 41 durch den Pultrusionskanal 9 die Breite 42 abnimmt und die Dicke 43 zunimmt (Fig. 11 bis 13). Auch bei einem kleinen Abstand als der Breite 42, beispielsweise von 0,5 mm, zwischen den beiden in dem Schnitt parallel zueinander ausgerichteten formgebenden Wandungen 46 im Endbereich des Pultrusionskanales 9 führen Materialtoleranzen bei den Fasern 45 und der Matrix 44 nicht zu einer Blockade des Rohextrudates 9, weil das verformbare Rohextrudat 41 bei Materialtoleranzen in den Bereich des Pultrusionskanales 9 ohne Rohextrudat 41 ausweichen kann, d. h. dass sich lokal die Dicke 43 erhöht und damit die Blockade vermieden wird. Die maximale Querschnittsfläche des Rohextrudates 41 kann somit wesentlich erhöht werden, weil der Freiraum in dem Pultrusionskanal 9 dahingehend dimensioniert ist, dass die bei Materialtoleranzen auftretenden notwendigen Erhöhungen der Querschnittsfläche des Rohextrudates 41 zur Vermeidung von Blockaden vorhanden sind. Die Dicke 43 des Rohextrudates 41 ist die Ausdehnung des Rohextrudates 41 in der Richtung der Öffnung des Pultrusionskanales 9 und/oder in der Richtung senkrecht zu der Breite 42 des Rohextrudates 41. Die Breite 42 des Rohextrudates 41 ist die Ausdehnung des Rohextrudates 41 in der Richtung senkrecht zu der Dicke und/oder die Ausdehnung des Rohextrudates 41 zwischen den beiden in dem Schnitt sich verjüngenden formgebenden Wandungen 46. Die Relativbewegungsgeschwindigkeit zwischen dem Rohextrudat 41 und den drei formgebenden Wandungen 46 entspricht der Bewegungsgeschwindigkeit des Rohextrudates 41 , weil die drei formgebenden Wandungen 4 feststehend sind. Am Anfang und Ende der Pultrusionseinheit 6 sind nicht dargestellte Spannvorrichtungen, insbesondere Spannrollen, ausgebildet, die auf das Rohextrudat 41 eine Zugkraft Fi und F2 aufbringen, so dass das Rohextrudat 41 in der Pultrusionseinheit 6 eine Zugkraft aufweist. Die Zugkraft Fi ist kleiner als die Zugkraft F2, so dass das Rohextrudat 41 durch den Pultrusionskanal 9 bewegt wird unter einer Zugkraft in dem Rohextrudat 41 , insbesondere einer Zugkraft in den Fasern 45 des Rohextrudates 41. Die Spannvorrichtungen, insbesondere Spannrollen, fungieren zusätzlich als Umlenkvorrichtungen, insbesondere Umlenkrollen, so dass das Rohextrudat 41 vor dem Einführen in den Pultrusionskanal 9 und nach dem Ausführen aus dem Pultrusionskanal 9 umgelenkt wird und das Rohextrudat 41 vor dem Einführen in einem Winkel Cd und nach dem Ausführen in einem Winkel 02 ausgerichtet ist. Die Winkel ai und 02 sind kleiner als 90°, so dass das Rohextrudat 41 beim Einführen und Ausführen nicht parallel, sondern in einem spitzen Winkel zu der Bewegungsrichtung 54 in dem Pultrusionskanal 9 ausgerichtet ist. Die Umlenkvorrichtungen bringen hierfür auf das Rohextrudat 41 beim Einführen und Ausführen eine Querkraft FQ auf. Die Querkraft FQ ist abhängig von den Winkeln cu und 02.
In den Fig. 14 und 15 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Pultrusionseinheit 6 der erfindungsgemäßen Prozesseinheit 5 dargestellt. Im Nachfolgenden werden nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel in den Fig. 9 bis 13 beschrieben. An einem Endbereich des teilweise offenen Pultrusionskanales 9 ist eine Rolle 55 angeordnet. Die Rolle 55 ist rotierend um eine Rotationsachse 62 gelagert und eine radiale Außenseite 63 als Oberfläche der Rolle 55 liegt auf dem zweiten Teil 53 der Außenseite 51 des Rohextrudates 41 auf und verformt den zweiten Teil 53. Damit liegt an diesem Endbereich des Pultrusionskanales 9 mit der Rolle 55 ein geschlossener Pultrusionskanal 9 vor. Die Achse (nicht dargestellt) der Rolle 55 ist mit einem elastischen Element 56 als Feder 57 mit einer Druckkraft auf den zweiten Teil 53 der Außenseite 51 gedrückt, so dass die radiale Außenseite 63 mit einer Druckkraft auf dem zweiten Teil 53 der Außenseite 51 des Rohextrudates 41 aufliegt. Ferner ist die Achse der Rolle 55 in einer Richtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung 54 gelagert, so dass die auf dem Rohextrudat 41 aufliegende radiale Außenseite 63 der Rolle 55 als erste formgebende Wandung 47 den Abstand 50 zu der gegenüberliegenden formgebenden Wandung 46 als zweite formgebende Wandung 48 verändert und damit auch die Querschnittsfläche verändert wird. Die Rolle 55 bildet damit auch eine Bewegungswandung 49 als sich bewegende formgebende Wandung 46. Die axiale Ausdehnung der Rolle 55 ist geringfügig kleiner als die Breite 42 des Rohextrudates 41 oder dem Abstand zwischen den in dem Schnitt parallel ausgerichteten formgebenden Wandungen 46, so dass die Rolle 55 teilweise in dem Pultrusionskanal 9 angeordnet ist. Veränderungen der Querschnittsfläche des Rohextrudates 9, insbesondere aufgrund von Materialtoleranzen, können damit durch die Bewegung als Translationsbewegung der Rolle 55 aufgenommen werden ohne dass die Gefahr von Blockaden des Rohextrudates 9 besteht. Die von der radialen Außenseite 63 der Rolle 55 gebildete erste formgebende Wandung 47 führt aufgrund der Rotationsbewegung der Rolle 55 um die Rotationsachse die Translationsbewegung des Rohextrudates 41 mit aus, so dass im Wesentlichen keine Relativbewegungsgeschwindigkeit zwischen der rotierenden radialen Außenseite 63 der Rolle 55 und dem zweiten Teil 53 der Außenseite 51 des Rohextrudates 41 auftritt.
In den Fig. 16 und 19 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Pultrusionseinheit 6 der erfindungsgemäßen Prozesseinheit 5 dargestellt. Im Nachfolgenden werden nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel in den Fig. 9 bis 13 beschrieben. Der Pultrusionskanal 9 ist von den radialen Außenseiten 63 von drei Rollen 55 gebildet. Die radialen Außenseiten 63 weisen somit eine konkave, im Wesentlichen u-förmige Oberfläche 59 auf. Die Breite 42 des Pultrusionskanales 9 und damit des Rohextrudates 41 nimmt von der in Fig. 17 dargestellten ersten Rolle 55 zu der in Fig. 19 dargestellten dritten Rolle 55 ab und die in Fig. Fig. 18 dargestellte Rolle 55 weist eine mittlere Breite 42 zwischen der ersten und dritten Rolle 55 auf. Aufgrund der Rotationsbewegung der Rollen 55 tritt im Wesentlichen keine Relativbewegungsgeschwindigkeit zwischen den radialen Außenseite 63 der Rollen 55 und dem Rohextrudat 41 auf. Das mit einer nicht dargestellten Heizeinrichtung erwärmte Rohextrudat 41 wird an den drei Abschnitten des Pultrusionskanales 9 der drei Rollen 55 verformt. Die Rollen 55 sind ferner mit einer weiteren optionalen Heizeinrichtung, insbesondere elektrischen Widerstandsheizeinrichtung, ausgebildet, so dass die Matrix 44 erwärmt werden kann für die optionale stoffschlüssige Verbindung mit den Fasern 45.
In den Fig. 20 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Pultrusionseinheit 6 der erfindungsgemäßen Prozesseinheit 5 dargestellt. Im Nachfolgenden werden nur die Unterschiede zu dem dritten Ausführungsbeispiel in den Fig. 16 bis 19 beschrieben. Die drei Abschnitte des Pultrusionskanales 9 sind von je zwei Rollen 55 begrenzt. Die radialen Außenseiten 63 der zwei Rollen 55 je eines Abschnitts sind identisch und entsprechen der in dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16 bis 19. Die konkave, im Wesentliche u- förmige radialen Außenseiten 63 begrenzen normalerweise je zur Hälfte den Pultrusionskanal 9 an je einem Abschnitt. Die radiale Außenseiten 63 der zwei Rollen 55 je eines Abschnittes liegen normalerweise aufeinander außerhalb der im Wesentlichen u-förmigen Aussparungen. Die Achse einer Rolle 55 je eines Abschnittes ist nicht im Raum beweglich senkrecht zu der Bewegungsrichtung 54 des Rohextrudates 41 , so dass diese Rolle 55 eine zweite formgebende Wandung 48 bildet. Die andere Rolle 55 als erste formgebende Wandung 47 je eines Abschnittes ist mit einem elastischen Element 56 als Feder 57 auf die Rolle 55 gedrückt, welche die zweite formgebende Wandung 48 bildet. Die Achse der anderen Rolle 55 als erste formgebende Wandung 47 ist in einer Bewegungsrichtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung 54 des Rohextrudates 41 beweglich gelagert, so dass die Rolle 55 als erste formgebende Wandung 47 zusätzlich eine Bewegungswandung 49 bildet, weil der Abstand zwischen den beiden Rollen 55 je eines Abschnittes verändert werden kann. Bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden Rollen 55 eines Abschnittes wird die Querschnittsfläche des Rohextrudates 41 vergrößert, um Blockaden des Rohextrudates 41 bei Materialtoleranzen zu vermeiden.
In den Fig. 21 bis 24 sind unterschiedliche Querschnittsformen für feststehende formgebende Wandungen 46 für den im Wesentlichen u- oder v-förmigen Pultrusionskanal 9 abgebildet. In Fig. 22 ist eine Deckwandung 61 und das Rohextrudat 41 strichliert dargestellt. Das Rohextrudat 41 weist einen großen Abstand zu der Deckwandung 61 auf, so dass auch bei großen Materialtoleranzen und einem großen Anstieg der Querschnittsfläche des Rohextrudates 41 das Rohextrudat 41 keinen Kontakt zu der Deckwandung 61 aufweist, so dass auch in Fig. 22 ein teilweise offener Pultrusionskanal 9 vorliegt. Die Deckwandung 61 ermöglicht es, dass das Rohextrudat 41 bzw. die Fasern 45 mit der Matrix 44 leichter in den Pultrusionskanal 9 eingelegt werden können bei der Inbetriebnahme und der teilweise offene Pultrusionskanal 9 vor Verunreinigungen und mechanischen Einflüssen von außen geschützt ist.
In Fig. 25 und Fig. 26 sind Beispiele für die konkave Oberfläche 59 der radialen Außenseite 63 von Rollen 55 abgebildet. Die Aussparung für den Pultrusionskanal 9 ist in Fig. 25 im Wesentlichen u-förmig und in Fig. 26 im Wesentlichen v-förmig.
In Fig. 27 und Fig. 28 sind Beispiele für die konvexe Oberfläche 58 der radialen Außenseite 63 von Rollen 55 abgebildet. In Fig. 27 ist die konvexe Oberfläche 58 im Wesentlich u-förmig und in Fig. 28 im Wesentlichen v- förmig. Die in Fig. 27 und 28 dargestellten Rollen 55 ermöglichen ein Verformen des zweiten Teiles 53 der Außenseite 51 des Rohextrudates 41 beispielsweise in dem in Fig. 14 und 15 dargestellten Ausführungsbeispiel.
In Fig. 29 und 30 sind zwei Beispiele für Ausbildung der Matrix 44 und der Fasern 45 als Rohextrudat 41 vor dem Einführen in den Pultrusionskanal 9 dargestellt. Die Matrix 44 und die Fasern 45 sind biegbar und auf einer Rolle 22 aufgerollt. In Fig. 29 liegt ein im Querschnitt im Wesentlichen rechteckförmiges Band vor bei dem die Fasern 45 von der Matrix 44 umhüllt sind. In Fig. 30 ist die Matrix 44 auf mehrere strangförmige Teile aufgeteilt zwischen denen und um diese die Fasern 45 angeordnet sind.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Extrudates 40 und der erfindungsgemäßen Prozesseinheit 5 wesentliche Vorteile verbunden. Die Pultrusion des Rohextrudates 41 in dem teilweise offenen Pultrusionskanal 9 und/oder in einem in der Querschnittsfläche veränderbaren Pultrusionskanal 9 ermöglicht die sichere und zuverlässige Pultrusion von Rohextrudaten 41 auch mit einem kleinen Durchmesser im Bereich von 0,5 mm ohne dass die Gefahr von Blockaden des Rohextrudates 41 in dem Pultrusionskanal 9 auftreten. Materialtoleranzen können temporär eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Rohextrudates 41 bewirken und diese Vergrößerung kann erreicht werden indem sich ein zweiter Teil 53 der Außenseite 51 in Richtung nach außen bewegt und/oder der Abstand zwischen der ersten und zweiten formgebenden Wandung 47, 48 vergrößert wird.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines, vorzugsweise strangförmigen,
Extrudates (40) mit den Schritten:
- Einführen einer erhärtbaren Matrix (44) und Fasern (45) bzw. eines Rohextrudates (41) in eine Pultrusionseinheit (6),
- Verformen des Rohextrudates (41) in der Pultrusionseinheit (6) indem eine Außenseite (51) des Rohextrudates (41) während des
Bewegens des Rohextrudates (41) durch einen Pultrusionskanal (9) der Pultrusionseinheit (6) an wenigstens einer formgebenden Wandung (46) der Pultrusionseinheit (6) aufliegt,
- Austreten des verformten Rohextrudates (41) aus der
Pultrusionseinheit (6),
- Einführen des aus der Pultrusionseinheit (6) ausgetretenen
Rohextrudates (41) in eine Extrusionseinheit (7),
- Verformen des Rohextrudates (41) in der Extrusionseinheit (7) und Austreten des zu dem Extrudat (40) umgeformten
Rohextrudates (41) aus einer Öffnung (60) der Extrusionseinheit
(7),
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schnitt durch das Rohextrudat (41) senkrecht zu der Bewegungsrichtung (54) des Rohextrudates (41) in dem
Pultrusionskanal (9) ein erster Teil (52) der Außenseite (51) des Rohextrudates (41) während des Bewegens durch die
Pultrusionseinheit (6) an wenigstens einer formgebenden Wandung
(46) der Pultrusionseinheit (6) aufliegt und ein zweiter Teil (53) der Außenseite (51) des Rohextrudates (41) keinen Kontakt zu der wenigstens einen formgebenden Wandung (46) aufweist
und/oder in einem Schnitt durch das Rohextrudat (41) senkrecht zu der
Bewegungsrichtung (54) des Rohextrudates (41) in dem
Pultrusionskanal (9) die Außenseite (51) des Rohextrudates (41) während des Bewegens durch die Pultrusionseinheit (6) an
wenigstens einer formgebenden Wandung (46) der Pultrusionseinheit
(6) aufliegt und der Abstand (50) zwischen einer ersten formgebenden Wandung (47) und einer zweiten formgebenden Wandung (48) senkrecht zu der Bewegungsrichtung (54) des Rohextrudates (41) in dem Pultrusionskanal (9) verändert wird, so dass die dem Rohextrudat (41) zwischen der ersten und zweiten formgebenden Wandung (47,
48) in dem Pultrusionskanal (9) zur Verfügung stehende
Querschnittsfläche verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Teil (53) der Außenseite (51) des Rohextrudates (41) das Rohextrudat (41) nur einen Kontakt zu der Umgebungsluft oder einem Prozessgas aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine formgebende Wandung (46), insbesondere in einer Bewegungsrichtung parallel zu der Bewegungsrichtung (54) des Rohextrudates (41), feststehend ist, so dass das Rohextrudat (41) eine Relativbewegung zu der wenigstens einen formgebenden
Wandung (46) ausführt aufgrund des Bewegens des Rohextrudates
(41) durch die Pultrusionseinheit (6).
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine formgebende Wandung (46) als
Bewegungswandung (49) die Bewegung des Rohextrudates (41) durch die Pultrusionseinheit (6) wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, mit ausführt, so dass die
Relativbewegungsgeschwindigkeit zwischen der
Bewegungsgeschwindigkeit des Rohextrudates (41) und der
Bewegungsgeschwindigkeit der wenigstens einen
Bewegungswandung (49) kleiner ist als die
Bewegungsgeschwindigkeit des Rohextrudates (41) durch die
Pultrusionseinheit (6), insbesondere die Bewegungsgeschwindigkeit des Rohextrudates (41) und die Bewegungsgeschwindigkeit der wenigstens einen Bewegungswandung (49) im Wesentlichen identisch sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wandung (46) als Bewegungswandung (49) von wenigstens einer Rolle (55) und/oder von wenigstens einem von einem Mechanismus bewegten Stempel gebildet ist.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite formgebende Wandung (47, 48) mit einer Druckkraft, insbesondere in einer Druckkraftrichtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung (54) des Rohextrudates (41), auf die Außenseite (51) des Rohextrudates (41) gedrückt wird, so dass die erste und/oder zweite formgebende Wandung (47, 48) in einer Bewegungsrichtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung (54) des Rohextrudates (41) bewegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite formgebende Wandung (47, 48) mittels eines Aktuators, insbesondere eine Elektromotors oder eines beweglichen Kolbens, und/oder eines elastischen Elementes (56), insbesondere einer Feder (57), auf die Außenseite (51) des
Rohextrudates (41) gedrückt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite formgebende Wandung (47, 48) von einer Rolle (55) gebildet ist und die Rolle (55) in einer Bewegungsrichtung senkrecht zu der Bewegungsrichtung (54) des Rohextrudates (41) bewegt wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der wenigstens einen formgebenden Wandung (46) begrenzte Pultrusionskanal (9) in Bewegungsrichtung (54) des Rohextrudates (41) konisch verjüngend ausgebildet ist, so dass die Breite (42) des Rohextrudates (41) abnimmt und die Dicke (43) des Rohextrudates (41) zunimmt während des Verformens des Rohextrudates (41) in der Pultrusionseinheit (6).
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Pultrusionseinheit (6), insbesondere in dem Pultrusionskanal (9), die Fasern (45) mit der erhärtbaren Matrix (44) stoffschlüssig verbunden werden.
11.Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Bewegens des Rohextrudates (41) durch den
Pultrusionskanal (9) der Pultrusionseinheit (6) die Fasern (45) und vorzugsweise die erhärtbare Matrix (44) mit einer Zugkraft
beansprucht werden.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wandung (46) als Bewegungswandung (49) eine konkave und/oder konvexe Oberfläche (58, 59) aufweist und die konkave und/oder konvexe Oberfläche (58, 59) der
Bewegungswandung (49) auf dem Rohextrudat (41) aufliegt, so dass eine komplementäre Geometrie in die Außenseite (51) des
Rohextrudates (41) eingearbeitet wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorhandene Grundstruktur (4) mit wenigstens einer
Verstärkungsstruktur (1) zu einer Tragstruktur (3) verstärkt wird mit den Schritten: Herstellen der wenigstens einen Verstärkungsstruktur (1), Verbinden der wenigstens einen Verstärkungsstruktur (1) mit der Grundstruktur (4), so dass die wenigstens eine Verstärkungsstruktur (1) in einer Verbindungsposition mit der Grundstruktur (4) verbunden ist und die Grundstruktur (4) zusammen mit der wenigstens einen Verstärkungsstruktur (1) die Tragstruktur (3) bildet, wobei die wenigstens eine Verstärkungsstruktur (1), insbesondere sämtliche Verstärkungsstrukturen (1), aus einem Verbundmaterial mit Fasern (45) und einer Matrix (44) mittels Pultrusion und/oder mit Extrusion hergestellt wird bzw. werden und eine Pultrusionseinheit (6) und/oder eine Extrusionseinheit (7) und/oder Prozesseinheit (5) im Raum bewegt wird, so dass die wenigstens eine Verstärkungsstruktur (1), insbesondere sämtliche Verstärkungsstrukturen (1), nach der
Pultrusion und/oder Extrusion jeweils an der erforderlichen
Verbindungsposition auf die Grundstruktur (4) pultrudiert und/oder extrudiert wird bzw. werden und die Verstärkungsstruktur (1) als ein Extrudat (40) mit einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wird.
14. Prozesseinheit (5), umfassend:
- eine Pultrusionseinheit (6) mit einem Pultrusionskanal (9) und der Pultrusionskanal (9) von wenigstens einer formgebenden
Wandung (46) begrenzt ist,
- eine Extrusionseinheit (7) mit einem Extrusionskanal (15) und einer Öffnung (60) zum Austritt des Extrudates (40) aus dem Extrusionskanal (15),
- eine Fördereinrichtung (12) zum Fördern eines Rohextrudates (41) von der Pultrusionseinheit (6) in die Extrusionseinheit (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Pultrusionskanal (9) teilweise offen ausgebildet ist.
15. Prozesseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Pultrusionskanal (9) im Querschnitt wenigstens teilweise im Wesentlichen u-förmig oder v-förmig ausgebildet ist.
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