WO2010115515A2 - Verfahren zur herstellung eines hochsteifen, hybriden endlosprofils sowie hochsteifes, hybrides endlosprofil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines hochsteifen, hybriden endlosprofils sowie hochsteifes, hybrides endlosprofil Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a highly rigid, hybrid endless profile.
  • the requirement for high-volume production on the one hand and the requirement for a very high mechanical strength of the finished components on the other hand are mutually exclusive.
  • the curing time which determines the cycle time is considerably longer than for the thermoplastics which can be processed by the high-pressure processes because of the curing times of the thermosetting resin systems used.
  • the low-pressure processes usually require a discontinuous production, which also has a negative effect on the production costs.
  • the object of the invention is to specify a method with which highly loadable structural profiles can be produced at a high production speed. According to the invention the object is achieved by a method for producing a highly rigid, hybrid endless profile,
  • the profiled roving is encased in the course of an extrusion process with a plastic layer.
  • a thermoplastic layer is usually extruded, the mechanical strength of the profile being provided by a profiled roving containing a reinforcing chamfer, which is encased by the extruded plastic, preferably completely.
  • the reinforcing fibers used are preferably glass fibers and / or carbon fibers.
  • the roving is usually also present as an endless product, so that the reinforcement layer produced by the roving is suitable for producing endless profile. "Endless” means that the length of the corresponding object is many times greater than its other dimensions, so that a continuous production process is possible.
  • a roving which also contains plastic fibers in addition to the reinforcing fibers.
  • the plastic fibers may also have thermoplastic properties.
  • these plastic fibers are at least partially melted in the manufacturing process in order to increase the rigidity of the roving during profiling. This can be realized for example by simultaneously preheating the roving during the profiling process of the roving layer.
  • a roving is used whose fibers intersect, for example in the form of a braided roving.
  • the roving can be designed as a fabric.
  • fibers may be aligned with each other such that they together form a diamond-shaped structure.
  • the roving has a laminar bond that can be subjected to high loads in the plane of the surface in any direction, which also makes it very simple Way can be processed.
  • the plastic layer covering the roving may also contain reinforcing fibers, eg glass and / or carbon fibers, in order to further increase the strength of the hybrid endless profile.
  • the profiling of the roving can be done for example in a forming device.
  • an open profile is usually created from the roving.
  • the profiling of the roving takes place in that it is applied to a plastic extrusion profile, preferably wound or braided.
  • a plastic extrusion profile preferably wound or braided.
  • the plastic extrusion profile also contains reinforcing fibers, e.g. Glass fibers and / or carbon fibers, in which case short fibers and / or continuous fibers can be used.
  • the hybrid endless profile according to the invention can be designed both as an open profile and as a closed profile. In general, the most varied geometries can be realized with the method according to the invention.
  • the invention further relates to a highly rigid, hybrid endless profile according to claim 10. Preferred embodiments of this profile are described in the subclaims 11 to 14.
  • refrigerator frames for example, refrigerator frames, cover profiles, handle strips, truck construction, aircraft construction, frame profiles for air conditioning systems, window profiles, sewer pipe systems and automobile construction, in particular structural components, e.g. as a substitute for metal profiles or organic sheets.
  • Fig. 2 shows an alternative manufacturing method
  • FIG 3 shows the cross section through an inventive high-stiffness, hybrid endless profile.
  • a glass fiber-containing roving 1 is converted into a three-dimensionally profiled shape.
  • the profiled roving 1 is completely encased by means of an extrusion process 2 with a thermoplastic plastic layer 3.
  • the used roving 1 has in addition to the glass fibers in addition to plastic fibers made of thermoplastic material.
  • the profiling of the roving 1 takes place in that it is wound or braided onto a plastic extrusion profile 5 produced by means of a further extrusion process 4 from a thermoplastic reinforced with glass fibers.
  • the outer thermoplastic resin layer 3 has no additional reinforcing substances, that is to say contains in particular no glass fibers and / or carbon fibers.
  • the plastic extrusion profile 5 is designed as a closed hollow profile, which has a plurality of ribs 7 and thereby a plurality of hollow chambers 8.
  • the roving 1 is unwound during the continuous extrusion of the inner profile 5 by a roller 9 whose axis x is aligned at least substantially parallel to the extrusion direction. In the second extrusion process 2, this wound roving 1 is then encased with the outer plastic layer 3.
  • the inner plastic extrusion profile is eliminated and the roving 1 is unwound from a roll 9 whose axis x 'at least substantially Chen is aligned perpendicular to the extrusion direction.
  • the band-shaped roving 1 is withdrawn continuously from the roller 9 and first subjected to a forming and preheating process.
  • a forming device 10 is used, in which at the same time a preheating of the hybrid rovings 1 made of glass fibers and plastic fibers takes place. Due to the preheating, the plastic fibers are at least partially melted in order to increase the rigidity of the roving 1 during profiling.
  • the roving profile 6 obtained in this case has an open contour.
  • the profiling process of the roving 1 is followed, in analogy to the method shown in FIG. 1, by encasing the roving by an extrusion step.
  • the extrusion material used here is a glass fiber reinforced thermoplastic. It can be seen from FIG. 2 that in this extrusion process 2 not only an outer sheathing of the roving layer takes place, but also the cavity 11 formed by the roving 1 through the profile contour is at least partially filled by the extrudate.
  • a hollow, but outwardly closed hollow chamber profile with a plurality of ribs 7 is introduced by the extrusion into the cavity 11.
  • FIG. 3 shows a highly rigid, hybrid endless profile according to the invention in cross-sectional representation.
  • This comprises a reinforcing layer 6 made of a profiled glass fiber-containing roving 1 and a plastic layer 3 completely surrounding the reinforcing layer 6.
  • the roving 1 additionally contains at least partially melted plastic fibers.
  • the reinforcing layer 6 is applied to a plastic extrusion profile 5, the so-called core component, preferably wound up, whereby the profiling of the roving 1 has taken place. Accordingly, the profile shown in FIG. 3 is produced by a method according to FIG. 1.
  • the plastic layer 3 also referred to as the skin component, completely surrounds the reinforcing layer 6 and consists of a thermoplastic, preferably unreinforced, plastic. It can further be seen from FIG. 3 that the reinforcing layer 3 has ribs 7 with internal hollow chambers 8.
  • Plastic extrusion profile 5 (core component) is reinforced with short glass fibers and / or continuous fibers.
  • Suitable thermoplastics for the plastic extrusion profile 5 are in particular PP, PA 6 and PVC granules.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten, hybriden Endlosprofils, wobei ein Verstärkungsfasern enthaltendes Roving (1) in eine profilierte Gestalt überführt wird und danach das profilierte Roving im Wege eines Extrusionsprozesses mit einer Kunststoff Schicht (3) ummantelt wird. Gegenstand der Erfindung ist auch ein hochsteifes, hybrides Endlosprofil.

Description

Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils sowie hochsteifes, hybrides Endlosprofil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils.
In der Vergangenheit haben sich unterschiedliche Fertigungsverfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen etabliert. Dies sind einerseits die Hochdruckverfahren, insbesondere das Spritzgießen, die Extrusion sowie das Fließpressen und andererseits die Niederdruckverfahren, wie z.B. RTM (Resin Transfer Molding) und Autoklav- Verfahren. Während sich die Hochdruckverfahren insbesondere durch die hiermit möglichen hohen Produktionsgeschwindigkeiten auszeichnen, können mit den Niederdruckverfahren Bauteile mit sehr hohen mechanischen Festigkeiten hergestellt werden. Die Bereitstellung solcher Bauteileigenschaften sind mit den Hochdruckverfahren nicht bzw. nur mit erheblichem Aufwand möglich. Bei den Niederdruckverfahren sind die erforderlichen langen Aushärtezeiten der dabei eingesetzten Kunststoffe nachteilig, da dies die Ausstoßraten verringert und somit die Herstellkosten derartiger Bauteile erhöht. Deshalb ist bei einem Vergleich der im Stand der Technik bekannten Verfahren festzustellen, dass die Anforderung an eine Großserienfertigkeit einerseits und die Erfordernis einer sehr hohen mechanischen Belastbarkeit der gefertigten Bauteile andererseits sich gegenseitig ausschließen. Bei den Niederdruckverfahren ist aufgrund der Aushärtezeiten der verwendeten duroplastischen Harzsysteme die die Zykluszeit bestimmende Abkühldauer wesentlich länger als bei den Thermoplasten, welche mit den Hochdruckverfahren verarbeitet werden können. Darüber hinaus erfordern die Niederdruckverfahren in der Regel eine diskontinuierliche Fertigung, welche sich ebenfalls negativ auf die Produktionskosten auswirkt.
Vor dem beschriebenen Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah- ren anzugeben, mit dem hoch belastbare Strukturprofile mit einer hohen Produktionsgeschwindigkeit hergestellt werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils,
wobei ein Verstärkungsfasern enthaltendes Roving in eine profilierte Gestalt überführt wird und
danach das profilierte Roving im Wege eines Extrusionsprozesses mit einer Kunststoffschicht ummantelt wird.
Erfindungsgemäß wird eine in der Regel thermoplastische Kunststoffschicht extrudiert, wobei die mechanische Festigkeit des Profils durch ein Verstärkungsfasen enthaltendes, profiliertes Roving bereitgestellt wird, welches von dem extrudierten Kunststoff, vorzugsweise vollständig, ummantelt wird. Als Verstärkungsfasern kommen vorzugsweise Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern zum Einsatz. Das Roving liegt hierbei in der Regel ebenfalls als endloses Produkt vor, so dass die mit dem Roving erzeugte Verstärkungsschicht zur Herstellung endloser Profil geeignet ist. „Endlos" meint, dass die Länge des entsprechenden Gegenstandes um ein Vielfaches größer als dessen andere Abmessungen ist, so dass ein kontinuierlicher Fertigungsprozess möglich ist. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre können die hohen Produktionsgeschwindigkeiten, welche mit einem Extrusionsprozess möglich sind, und die hohe mechanische Belastbarkeit der hiermit hergestellten Bauteile miteinander kombiniert werden.
Vorzugsweise wird ein Roving verwendet, welches neben den Verstärkungsfasern auch Kunststofffasern enthält. Bei diesem Hybridroving können die Kunststofffasern ebenfalls thermoplastische Eigenschaften aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden diese Kunststofffasern im Fertigungsprozess zumindest teilweise aufgeschmolzen, um die Steifigkeit des Rovings während der Profilgebung zu erhöhen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass während des Profilierungsvorganges der Rovingschicht gleichzeitig eine Vorwärmung des Rovings erfolgt.
Vorzugsweise wird ein Roving verwendet, dessen Fasern sich überkreuzen, z.B. in Form eines geflochtenen Rovings. Das Roving kann als Gewebe ausgebildet sein. Insbesondere können Fasern derart zueinander ausgerichtet sein, dass sie gemeinsam eine rautenförmige Struktur bilden. Hierdurch weist das Roving einen flächigen Verbund auf, der in Flä- chenebene in beliebige Richtungen hoch belastbar ist, wodurch es auch auf sehr einfache Art und Weise verarbeitet werden kann. Ferner kann die das Roving ummantelnde Kunststoffschicht ebenfalls Verstärkungsfasem, z.B. Glas- und/oder Kohlenstofffasern, enthalten, um die Festigkeit des hybriden Endlosprofils weiter zu erhöhen.
Die Profilierung des Rovings kann beispielsweise in einer Umformeinrichtung erfolgen. In diesem Fall wird in der Regel ein offenes Profil aus dem Roving erzeugt. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, dass die Profilierung des Rovings dadurch erfolgt, dass es auf ein Kunststoff-Extrusionsprofil aufgebracht, vorzugsweise aufgewickelt oder geflochten, wird. In diesem Fall liegt ein zumindest dreischichtiger Aufbau mit dem innen liegenden Extrusionsprofil, der Rovingschicht als Zwischenlage und der ummantelnden Kunststoffschicht als äußere Lage vor. Entsprechend ist hier die vom Roving gebildete Profilschicht geschlossen. Dabei reicht es hier in der Regel aus, dass die ggf. zur Aufschmelzung der Thermoplastfasern im Roving erforderliche Vorwärmung des Rovings über den flächigen Kontakt mit dem noch warmen Kunststoff-Extrusionsprofil erfolgt. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält das Kunststoff-Extrusionsprofil ebenfalls Verstärkungsfasern, z.B. Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern, wobei hier Kurzfasern und/oder Endlosfasern zum Einsatz kommen können.
Das erfindungsgemäße hybride Endlosprofil kann sowohl als offenes Profil als auch als geschlossenes Profil ausgebildet werden. Generell lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die vielfältigsten Geometrien realisieren.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein hochsteifes, hybrides Endlosprofil gemäß Anspruch 10. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Profils sind in den Unteransprüchen 11 bis 14 beschrieben.
Besondere Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Lehre sind zum Beispiel Kühlgeräte-Rahmen, Abdeckprofile, Griffleisten, LKW-Bau, Flugzeugbau, Rahmenprofile für Klimaanlagen, Fensterprofile, Kanalrohr-Systeme und Automobilbau, insbesondere Strukturbau- teile, z.B. als Ersatz von Metallprofilen oder Organoblechen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch: Fig. 1 eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils;
Fig. 2 ein alternatives Herstellungsverfahren und
Fig. 3 den Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes hochsteifes, hybrides Endlosprofil.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils dargestellt. Hierbei wird ein Glasfasern enthaltendes Roving 1 in eine dreidimensional profilierte Gestalt überführt. Alternativ bzw. ergänzend zu den Glasfasern können auch Kohlenstofffasern eingesetzt werden. Danach wird das profilierte Roving 1 im Wege eines Extrusionsprozesses 2 mit einer thermoplastischen Kunststoffschicht 3 vollständig ummantelt. Das eingesetzte Roving 1 weist neben den Glasfasern zusätzlich auch Kunststofffasern aus thermoplastischem Material auf. Die Profilierung des Rovings 1 erfolgt dadurch, dass es auf ein mittels eines weiteren Extrusionsprozesses 4 hergestellten Kunst- stoff-Extrusionsprofil 5 aus einem mit Glasfasern verstärkten Thermoplast aufgewickelt oder geflochten wird. Hierdurch wird eine geschlossene Kontur der aus dem Roving 1 bestehenden Verstärkungsschicht 6 des herzustellenden Endlosprofils erzeugt. Aufgrund des Kontaktes des hybriden Rovings 1 mit dem noch warmen Extrusionsprofil 5 werden die Kunststofffasern teilweise aufgeschmolzen, wodurch sich die Steifigkeit des Rovings 1 während der Profilgebung und zusätzlich die Verbindungswirkung zum Extrusionsprofil 5 erhöhen. Es wird ein Roving 1 verwendet, dessen Fasern sich überkreuzen, so dass ein flächiger Verbund vorliegt. Im Ausführungsbeispiel weist die äußere thermoplastische Kunststoffschicht 3 keine zusätzlichen Verstärkungsstoffe auf, enthält also insbesondere keine Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern. Das Kunststoff-Extrusionsprofil 5 ist als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet, welches mehrere Verrippungen 7 und hierdurch bedingt eine Vielzahl von Hohlkammern 8 aufweist. Das Roving 1 wird während der kontinuierlichen Extrusion des inneren Profils 5 von einer Rolle 9 abgewickelt, deren Achse x zu- mindest im Wesentlichen parallel zur Extrusionsrichtung ausgerichtet ist. Im zweiten Extru- sionsprozess 2 wird dieses gewickelte Roving 1 dann mit der äußeren Kunststoffschicht 3 ummantelt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 entfällt das innere Kunststoff-Extrusionsprofil und das Roving 1 wird von einer Rolle 9 abgewickelt, deren Achse x' zumindest im Wesentli- chen senkrecht zur Extrusionsrichtung ausgerichtet ist. Das bandförmige Roving 1 wird kontinuierlich von der Rolle 9 abgezogen und zunächst einem Umformungs- und Vorwär- mungsprozess unterzogen. Zur Umformung des Rovings 1 in die profilierte Gestalt wird eine Umformeinrichtung 10 eingesetzt, in der gleichzeitig eine Vorwärmung des hybriden Rovings 1 aus Glasfasern und Kunststofffasern erfolgt. Aufgrund der Vorwärmung werden die Kunststofffasern zumindest teilweise aufgeschmolzen, um die Steifigkeit des Rovings 1 während der Profilgebung zu erhöhen. Das hierbei erhaltene Rovingprofil 6 weist eine offene Kontur auf. An den Profilierungsvorgang des Rovings 1 schließt sich in Analogie zum in Fig. 1 dargestellten Verfahren eine Ummantelung des Rovings durch einen Extrusions- schritt an. Als Extrusionsmaterial wird hierbei ein mit Glasfasern verstärkter Thermoplast eingesetzt. Der Fig. 2 ist zu entnehmen, dass in diesem Extrusionsprozess 2 nicht nur eine äußere Ummantelung der Rovingschicht erfolgt, sondern auch die von dem Roving 1 durch die Profilkontur gebildete Kavität 11 vom Extrudat zumindest teilweise ausgefüllt wird. Im Ausführungsbeispiel wird durch die Extrusion in die Kavität 11 ein wiederum hohles, aber nach außen hin geschlossenes Hohlkammerprofil mit mehreren Verrippungen 7 eingebracht.
Als dem Kunststoff-Extrusionsprofil 5 bzw. der Kunststoffschicht 3 beigemischte Glasfasern können sowohl Kurzglasfasern und/oder Endlosfasem eingesetzt werden. Die Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes hochsteifes, hybrides Endlosprofil in der Querschnittsdarstellung. Dieses weist eine Verstärkungsschicht 6 aus einem profilierten, Glasfasern enthaltenden Roving 1 und eine die Verstärkungsschicht 6 vollständig umgebende Kunststoffschicht 3 auf. Das Roving 1 enthält zusätzlich zumindest teilweise aufgeschmolzene Kunststofffasern. Die Verstärkungsschicht 6 ist auf ein Kunststoff-Extrusionsprofil 5, der sog. Kernkom- ponente, aufgebracht, vorzugsweise aufgewickelt, wodurch die Profilgebung des Rovings 1 erfolgt ist. Entsprechend wird das in Fig. 3 dargestellte Profil nach einem Verfahren gemäß Fig. 1 hergestellt. Die auch als Hautkomponente bezeichnete Kunststoffschicht 3 umschließt die Verstärkungsschicht 6 vollständig und besteht aus einem thermoplastischen, vorzugsweise unverstärkten, Kunststoff. Der Fig. 3 kann ferner entnommen werden, dass die Verstärkungsschicht 3 Verrippungen 7 mit inneren Hohlkammern 8 aufweist. Das
Kunststoff-Extrusionsprofil 5 (Kernkomponente) ist mit Kurzglasfasern und/oder Endlosfasern verstärkt. Als Thermoplaste für das Kunststoff-Extrusionsprofil 5 eignen sich insbesondere PP, PA 6 und PVC-Granulat.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines hochsteifen, hybriden Endlosprofils,
wobei ein Verstärkungsfasern enthaltendes Roving in eine profilierte Gestalt überführt wird und
danach das profilierte Roving im Wege eines Extrusionsprozesses mit einer Kunststoffschicht ummantelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Roving verwendet wird, welches neben Verstärkungsfasern auch Kunststofffasern enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffasern zumindest teilweise aufgeschmolzen werden, um die Steifigkeit des Rovings während der Profilgebung zu erhöhen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Roving verwendet wird, dessen Fasern sich überkreuzen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht ebenfalls Verstärkungsfasern, vorzugsweise Glas- und/oder Kohlenstofffasern enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Roving in einer Umformvorrichtung profiliert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung des Rovings dadurch erfolgt, dass es auf ein Kunststoff-Extrusionsprofil aufgebracht, vorzugsweise aufgewickelt oder geflochten, wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Extrusions- profil ebenfalls Verstärkungsfasern, vorzugsweise Glasfasern, enthält.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das End- losprofil als offenes Profil oder als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet wird.
10. Hochfestes, hybrides Endlosprofil mit
einer Verstärkungsschicht (6) aus einem profilierten, Verstärkungsfasern enthal- tenden Roving (1) und
einer die Verstärkungsschicht (6) umgebenden Kunststoffschicht (3).
11. Endlosprofil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Roving (1) zusätz- lieh zumindest teilweise aufgeschmolzene Kunststofffasern enthält.
12. Endlosprofil nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (6) auf ein Kunststoff-Extrusionsprofil (5) aufgebracht, vorzugsweise aufgewickelt oder geflochten, ist.
13. Endlosprofil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht (3) und/oder das Kunststoff-Extrusionsprofil (5) ebenfalls Verstärkungsfasern, vorzugsweise Glasfasern, enthält.
14. Endlosprofil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Endlosprofil Verrippungen (7) mit inneren Hohlkammern (8) aufweist.
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