WO2011128048A1 - Verfahren zur herstellung eines faserverstärkten extrusionsprofils sowie faserverstäktes extrusionsprofil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines faserverstärkten extrusionsprofils sowie faserverstäktes extrusionsprofil Download PDF

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    • B29L2031/003—Profiled members, e.g. beams, sections having a profiled transverse cross-section

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a fiber-reinforced extrusion profile.
  • the requirements for high-volume production on the one hand and the requirement for a very high mechanical load-bearing capacity of the manufactured components on the other hand are mutually exclusive.
  • the curing time which determines the cycle time is considerably longer than that of 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 invention has for its object to provide a method for the production of a fiber-reinforced extrusion profile, which is easy to carry out and still the production of relatively complex, highly resilient
  • this object is achieved by a method for producing a fiber-reinforced extrusion profile, wherein at least one reinforcing fiber-containing reinforcement is extruded into a base plastic matrix and wherein the reinforcement in addition to the reinforcing fibers in addition to the rigidity of
  • the invention is based on the idea of being able to ensure the desired stability in the end product, ie the extrusion profile, by means of a hybrid reinforcement on the one hand, and on the other hand to facilitate the extrusion of the reinforcement. While the reinforcing fibers increase the mechanical strength of the extruded profile produced, the stabilizing fibers ensure that the reinforcement remains dimensionally stable when entering the extruder and accordingly provides a very targeted, exact reinforcement with the aid of the armouring. material can be achieved. This makes it possible to approximate the processing rigidity of the reinforcement to that of a metal sheet.
  • the reinforcement comprises at least one woven, braided, knitted or, preferably unidirectional, roving.
  • the reinforcing fibers suitably contain mineral, in particular glass, and / or carbon and / or aramid and / or basalt fibers.
  • the reinforcing fibers consist of one or a mixture of several of the aforementioned materials.
  • the stabilizing fibers preferably contain metal and / or plastic fibers, the stabilizing fibers in particular consisting of metal and / or plastic fibers.
  • plastic fibers are, for example, high-strength plastic fibers, such as polyester.
  • the reinforcement runs as a three-dimensional structure in the extrusion process.
  • This three-dimensional structure may, for example, have a T, L or double T cross-section.
  • individual reinforcing tapes can be correspondingly connected to one another, for example by stitching, gluing, sewing or similar joining techniques.
  • the stabilizing fibers according to the invention ensure the required processing rigidity of the same when entering the extrusion process.
  • the extrusion profile can be designed as an open or alternatively as a closed hollow profile.
  • the reinforcing fibers may be oriented in the extrusion direction, while the stabilizing fibers are preferably oriented transversely to the extrusion direction.
  • the reinforcing fibers suitably have a thickness of 0.005 mm to 0.02 mm, while the thickness of the stabilizing fibers is preferably 0.01 mm to 0.1 mm.
  • the base plastic matrix contains, for example, polypropylene and / or PVC and / or polyethylene or consists of one or a mixture of several of the aforementioned materials.
  • the surface of the extrusion profile is formed exclusively by the base plastic matrix.
  • the invention also provides a fiber-reinforced extrusion profile, which is produced by a method according to one of claims 1 to 9.
  • Preferred fields of application of the extrusion profiles produced by the method according to the invention are the automotive industry (car and / or truck construction) - in particular structural components therefor, such as, for example, Vehicle superstructures, trailers, door systems -, refrigeration equipment (especially refrigeration equipment frames), air conditioning systems (especially frame profiles), the construction sector in general - especially window profiles, post profiles and sewer pipe systems, skylights, rooflights, smoke and heat exhaust systems, greenhouses, commercial horticulture, halls , Tent or exhibition construction, canopies, frame systems for shower cubicles, frame systems for solar cell systems, shelving systems, aircraft and also shipbuilding.
  • the profiles can also be used in general machine and plant construction (for example as cover profiles or gripping strips or for packaging systems), for example as a replacement for metal profiles or
  • Fig. 2 different embodiments a) to d) in terms of the shape of a reinforcement for producing the fiber reinforcement, in each case in section, and
  • FIGS. 3a to 3h show different extrusion profiles produced by the method according to the invention in the cross-sectional representation.
  • the reinforcements 2 are drawn off from tape rolls 3 and optionally preheated by means of heat radiators 4.
  • the reinforcements 2 contain reinforcing fibers 5 (FIG. 2), which are extruded in an extruder 6 into a base plastic matrix 7.
  • the base plastic matrix 7 may consist of unreinforced plastic material, but alternatively also of a fiber-reinforced plastic material.
  • a reinforcement 2 additionally contains, in addition to the reinforcing fibers 5, the rigidity of the reinforcing fibers 8, which increase the reinforcement 2, from a material which differs from the reinforcing fibers 5.
  • the reinforcements 2 are formed as a fabric.
  • the reinforcing fibers 5 are made in the embodiment of glass fibers, while the stabilizing fibers 8 are made of high-strength polyester fibers.
  • the task of the stabilizing fibers 8 is in particular in the stiffening of the fabric 2 to simplify the handling and stabilization in the extrusion process to the contact with the melt of the base plastic matrix 7 in the extrusion die.
  • the stabilizing fibers 8 melt during the extrusion process, since the stiffening effect in the finished extrusion profile 1 is based at least largely on the extrusion of the reinforcing fibers 5.
  • Figures 3a to 3h it can be seen that the reinforcement 2 can enter as a three-dimensional structure in the extrusion process.
  • L- (FIGS. 3c, 3e), T- (FIG. 3h) and double-T-profiles (FIG. 3d) of the reinforcement 2 are possible, but also other geometries, as shown for example in FIGS. 3f and 3g ,
  • Extrusion profile 1 can be designed as an open (FIG. 3f) or alternatively also as a closed hollow profile (FIGS. 3e, 3g).
  • the stabilizing fibers 8 are all aligned transversely to the extrusion direction x.
  • individual reinforcing fibers 5 are additionally aligned transversely to the extrusion direction x
  • individual stabilizing fibers 8 are aligned transversely to the extrusion direction x.
  • other angular orientations ⁇ are not excluded by this.
  • the base plastic matrix 7 consists of polypropylene.

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  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils (1), wobei mindestens eine Verstärkungsfasern enthaltende Armierung (2) in eine Basis-Kunst- stoff-Matrix einextrudiert wird, wobei die Armierung (2) neben den Verstärkungsfasern zusätzlich die Steifigkeit der Armierung (2) erhöhende Stabilisierungsfasern aus einem sich von den Verstärkungsfasern unterscheidenden Material enthält. Hierdurch wird die Formstabilität der Armierung (2) während der Einbringung derselben in die Basis-Kunststoff-Matrix erhöht. Gegenstand der Erfindung ist auch ein faserverstärktes Extrusionsprofil (1).

Description

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils sowie
faserverstärktes Extrusionsprofil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils.
In der Vergangenheit haben sich unterschiedliche Fertigungsverfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen etabliert. Dies sind einerseits die Hochdruckverfahren, insbeson- dere das Spritzgießen, die Extrusion sowie das Vliespressen, und andererseits die Niederdruckverfahren, wie z.B. RTM (Resin Transfer Moulding) 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 Bau- teileigenschaften ist 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 Anforderungen an eine Großserienfer- tigkeit einerseits und das 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.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Kunststoff-Extrusionsprofile mittels Stahl- bzw. Blecharmierungen zu verstärken. Dies führt zwar zur gewünschten Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit des Profils, ist aber auch mit Nachteilen verbunden. Zu nennen sind hier die vergleichsweise hohen Herstellungskosten, das durch die Metalleinlage bedingte deutlich höhere Gewicht und die fehlende Verschweißbarkeit. Darüber hinaus zeigen diese Ver- bundprofile thermische Eigenschaften, die häufig unerwünscht sind, und neigen zur Korrosion.
Es ist ferner bekannt, Kunststoffprofile mittels rein unidirektional ausgerichteten, nebenei- nander liegenden Verstärkungsfasern zu armieren. Gegenüber der Stahlarmierung zeichnet sich dieses Verfahren durch ein geringeres Gewicht der damit hergestellten Profile aus. Allerdings ist auch die Performance, also die mechanische Belastbarkeit, hier deutlich niedriger als bei einer Stahlarmierung. Ferner wird bei diesem Verfahren eine Pull-Extrusion eingesetzt, welche gegenüber einer klassischen Extrusion verfahrenstechnische Nachteile aufweist. Generell besteht beim Einsatz der unidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern das Problem, dass diese aufgrund ihrer geringen Eigenstabilität während des
Extrusionsprozesses eine sehr genaue Führung benötigen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Her- Stellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils anzugeben, welches einfach durchführbar ist und trotzdem die Herstellung vergleichsweise komplexer, hoch belastbarer
Profilgeometrien ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils, wobei mindestens eine Verstärkungsfasern enthaltende Armierung in eine Basis- Kunststoff-Matrix einextrudiert wird und wobei die Armierung neben den Verstärkungsfasern zusätzlich die Steifigkeit des
Rovings erhöhende Stabilisierungsfasern aus einem sich von den Verstärkungsfasern unterscheidenden Material enthält, so dass hierdurch die Formstabilität der Armierung während der Einbringung desselben in die Basis-Kunststoff-Matrix erhöht wird. Die Erfindung beruht auf der Überlegung, mittels einer hybriden Armierung einerseits die gewünschte Stabilität im Endprodukt, also dem Extrusionsprofil, gewährleisten zu können und andererseits die Einextrusion der Armierung zu erleichtern. Während die Verstärkungsfasern die mechanische Belastbarkeit des hergestellten Extrusionsprofils erhöhen, gewährleisten die Stabilisierungsfasern, dass die Armierung beim Einlaufen in den Extruder form- stabil bleibt und entsprechend eine sehr gezielte, exakte Verstärkung mit Hilfe des Armie- rungs-Materials erreicht werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Verarbeitungs- Steifigkeit der Armierung derjenigen eines Metallblechs anzunähern.
Vorzugsweise umfasst die Armierung mindestens ein Gewebe, Geflecht, Gewirke oder, vorzugsweise unidirektionales, Roving. Grundsätzlich ist der Einsatz beliebiger Endlosfaser-Verbindungstechniken denkbar, um die Armierung herzustellen. Die Verstärkungsfasern enthalten zweckmäßigerweise Mineral-, insbesondere Glas-, und / oder Kohlenstoff- und / oder Aramid- und / oder Basaltfasern. Vorzugsweise bestehen die Verstärkungsfasern aus einem oder einer Mischung mehrerer der vorgenannten Materialien. Die Stabilisie- rungsfasern enthalten hingegen vorzugsweise Metall- und / oder Kunststofffasern, wobei die Stabilisierungsfasern insbesondere aus Metall- und / oder Kunststofffasern bestehen. Als Kunststofffasern eignen sich z.B. hochfeste Kunststofffasern, beispielsweise aus Polyester. Als metallische Werkstoffe kommen z.B. Eisen, Stahl oder Edelstahl in Betracht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung läuft die Armierung als dreidimensionales Gebilde in den Extrusionsprozess ein. Dieses dreidimensionale Gebilde kann beispielsweise einen T-, L- oder Doppel-T-Querschnitt besitzen. Um z.B. ein T- oder Dop- pel-T-Profil herzustellen, können einzelne Armierungsbänder entsprechend miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Heften, Kleben, Nähen oder ähnliche Verbin- dungstechniken. Die erfindungsgemäßen Stabilisierungsfasern stellen auch bei diesen komplexeren Geometrien der Armierung die erforderliche Verarbeitungs-Steifigkeit desselben beim Einlaufen in den Extrusionsprozess sicher. Das Extrusionsprofil kann als offenes oder alternativ auch als geschlossenes Hohlprofil ausgebildet sein. Die Verstärkungsfasern können in Extrusionsrichtung ausgerichtet sein, während die Stabilisierungsfasern vorzugsweise quer zur Extrusionsrichtung ausgerichtet sind. Denkbar sind jedoch auch andere Anordnungen, indem beispielsweise zusätzlich auch einzelne Verstärkungsfasern quer zur Extrusionsrichtung verlaufen und/oder einzelne Stabilisierungsfasern in Extrusionsrichtung. Die Verstärkungsfasern besitzen zweckmäßigerweise eine Dicke von 0,005 mm bis 0,02 mm, während die Dicke der Stabilisierungsfasern vorzugsweise 0,01 mm bis 0,1 mm beträgt. Die Basis-Kunststoff-Matrix enthält z.B. Polypropylen und / oder PVC und / oder Polyethylen bzw. besteht aus einem oder einer Mischung mehrerer der vorgenannten Materialien. Zweckmäßigerweise wird die Oberfläche des Extrusionsprofils ausschließlich von der Basis-Kunststoff-Matrix gebildet. Gegenstand der Erfindung ist auch ein faserverstärktes Extrusionsprofil, welches mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wird.
Bevorzugte Einsatzgebiete der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Extrusionsprofile sind der Automobilbau (PKW- und/oder LKW-Bau) - insbesondere Strukturbauteile hierfür, wie z.B. Fahrzeugaufbauten, Anhänger, Türsysteme -, der Kühlgerätebau (insbesondere Kühlgeräterahmen), Klimaanlagenbau (insbesondere Rahmenprofile hierfür), der Baubereich allgemein - insbesondere Fensterprofile, Pfostenprofile und Kanalrohr-Systeme, Lichtkuppeln, Lichtbänder, Rauch- und Wärmeabzugsanlagen, Gewächshäuser, gewerblicher Gartenbau, Hallen-, Zelt- oder Messebau, Überdachungen, Rahmensysteme für Duschkabinen, Rahmensysteme für Solarzellenanlagen, Regalsysteme -, der Flugzeug- und auch der Schiffsbau. Die Profile sind aber selbstverständlich auch im allge- meinen Maschinen- und Anlagenbau einsetzbar (z.B. als Abdeckprofile oder Griffleisten bzw. für Verpackungssysteme), beispielsweise als Ersatz von Metallprofilen oder
Organoblechen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils,
Fig. 2 unterschiedliche Ausführungsformen a) bis d) hinsichtlich der Gestalt einer Armierung zur Herstellung der Faserverstärkung, jeweils in Ausschnittsdarstellung, und
Fig. 3a bis Fig. 3h unterschiedliche, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Extrusionsprofile in der Querschnittsdarstellung.
Fig. 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils 1. Zunächst werden zwei bahnförmige Armierungen 2 von Bandrollen 3 abgezogen und optional mittels Wärmestrahler 4 vorgewärmt. Die Armierungen 2 enthalten Verstärkungsfasern 5 (Fig. 2), welche in einem Extruder 6 in eine Basis-Kunststoff-Matrix 7 einextrudiert werden. Mithilfe des Extruders 6 wird/werden die Armierung/en 2 in einem einzigen Verfahrensschritt vollständig von der Basis-Kunststoff-Matrix 7 umschlossen. Die Basis-Kunststoff- Matrix 7 kann aus unverstärktem Kunststoffmaterial, alternativ aber auch aus einem ebenfalls faserverstärktem Kunststoff-Material bestehen. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, ent- hält eine Armierung 2 neben den Verstärkungsfasern 5 zusätzlich die Steifigkeit der Armierung 2 erhöhende Stabilisierungsfasem 8 aus einem sich von dem Verstärkungsfasern 5 unterscheidenden Material. Hierdurch wird die Formstabilität der Armierung 2 während der Einbringung desselben in die Basis-Kunststoff-Matrix 7 im Extrusionsprozess erhöht. Im Ausführungsbeispiel sind die Armierungen 2 als Gewebe ausgebildet. Die Verstärkungsfasern 5 bestehen im Ausführungsbeispiel aus Glasfasern, während die Stabilisierungsfasern 8 aus hochfesten Polyesterfasern bestehen. Die Aufgabe der Stabilisierungsfasern 8 liegt insbesondere in der Versteifung des Gewebes 2 zur Vereinfachung des Handlings und zur Stabilisierung im Extrusionsprozess bis zum Kontakt mit der Schmelze der Basis- Kunststoff-Matrix 7 im Extrusionswerkzeug. Insofern liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass die Stabilisierungsfasern 8 während des Extrusionsprozesses aufschmelzen, da die Versteifungswirkung im fertigen Extrusionsprofil 1 zumindest weitgehend auf der Ein- extrusion der Verstärkungsfasern 5 beruht. Insbesondere den Figuren 3a bis 3h ist zu entnehmen, dass die Armierung 2 auch als dreidimensionales Gebilde in den Extrusionsprozess einlaufen kann. So sind beispielsweise L- (Fig. 3c, 3e), T- (Fig. 3h) und Doppel-T-Profile (Fig. 3d) der Armierung 2 möglich, aber auch andere Geometrien, wie beispielsweise in den Figuren 3f und 3g gezeigt. Das
Extrusionsprofil 1 kann als offenes (Fig. 3f) oder alternativ auch als geschlossenes Hohl- profil (Fig. 3e, 3g) ausgebildet sein.
Bei der Darstellung in Fig. 2, Variante a) sind die Verstärkungsfasern 5 allesamt in
Extrusionsrichtung x angeordnet, während die Stabilisierungsfasern 8 allesamt quer zur Extrusionsrichtung x ausgerichtet sind. Gemäß Variante b) in Fig. 2 sind zusätzlich auch einzelne Verstärkungsfasern 5 quer zur Extrusionsrichtung x ausgerichtet, während in Variante c) einzelne Stabilisierungsfasern 8 quer zur Extrusionsrichtung x ausgerichtet sind. Alternativ ist es aber möglich, dass die Verstärkungsfasern 5 und / oder die Stabilisierungsfasern 8 weder längs noch quer zur Extrusionsrichtung x ausgerichtet sind und stattdessen beispielsweise unter einem Winkel α = 45° zur Extrusionsrichtung x verlaufen (s. Variante d)). Andere Winkelausrichtungen α sind hierdurch jedoch nicht ausgeschlossen. Im Ausführungsbeispiel besteht die Basis-Kunststoff-Matrix 7 aus Polypropylen.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils, wobei mindestens eine Verstärkungsfasern enthaltende Armierung in eine Basis- Kunststoff-Matrix einextrudiert wird, wobei die Armierung neben den Verstärkungsfasern zusätzlich die Steifigkeit der Armierung erhöhende Stabilisierungsfasern aus einem sich von den Verstärkungsfasern unterscheidenden Material enthält, so dass hierdurch die Formstabilität der Armierung während der Einbringung derselben in die Basis-Kunststoff-Matrix er- höht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung mindestens ein Gewebe, Geflecht, Gewirke oder, vorzugsweise unidirektionales, Roving umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern Mineralfasern, insbesondere Glasfasern, und / oder Kohlenstofffasern und / oder Aramidfasern und / oder Basaltfasern enthalten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabi- lisierungsfasern Metallfasern und / oder Kunststofffasern enthalten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung als dreidimensionales Gebilde in den Extrusionsprozess einläuft.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung als L-, T- oder Doppel-T-Profil ausgebildet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern in Extrusionsrichtung angeordnet sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungsfasern quer zur Extrusionsrichtung ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Kunststoff-Matrix Polypropylen und / oder Polyvinylchlorid und / oder Polyethylen enthält.
Faserverstärktes Extrusionsprofil, hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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