WO2019149703A1 - Extrusionsvorrichtung und verfahren zur herstellung von kohlefaserverstärkten kunststoffhalbzeugen - Google Patents

Extrusionsvorrichtung und verfahren zur herstellung von kohlefaserverstärkten kunststoffhalbzeugen Download PDF

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extrusion device
housing
extrusion
mandrel
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Holger Seidlitz
Felix Kuke
Martin Zschieck
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Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
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    • F28F2255/16—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes extruded

Definitions

  • the present invention relates to an extrusion device and a method for the production of carbon fiber reinforced plastic semi-finished products.
  • the compounds used are often enriched with carbon fibers.
  • the orientation of the fibers introduced at present is influenced exclusively by the flow processes that arise during the extrusion, which results in an indeterminate distribution of the fibers. This leads to irregularities in the mechanical properties of extruded components.
  • further potentials of the carbon fibers such as the electrical conductivity and the enormous thermal conductivity, can not be exploited.
  • http://dx.doi.org/10.4421/PAPDEOTT002961) discloses the production of highly heat-conductive plastic pipes by extrusion, wherein the orientation of the carbon fibers perpendicular to the flow direction by the use of special fillers and by the geometry of the flow channel in the extrusion die is achieved. It is therefore an object of the present invention to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a device by means of which the orientation of carbon fibers in plastic semifinished products can be specifically influenced.
  • the subject matter of the present invention is an extrusion apparatus 100 for the production of carbon-fiber-reinforced plastic semi-finished products, comprising a housing 1 which has an entrance area 2 and an exit area 3, wherein a device for generating an electric field 4 is arranged in the housing 1.
  • an extrusion device 100 according to the invention, wherein the carbon fiber reinforced plastic semi-finished products are tubular or planar.
  • An extrusion apparatus 100 according to the invention is preferred, wherein the apparatus for generating an electric field 4 has two electrodes 40,
  • an extrusion device 100 according to the invention, wherein the electrodes 40, 41 are annular or planar.
  • an extrusion device 100 wherein the electrodes 40, 41 are arranged concentrically or parallel to one another and form an annular or planar gap 42 between the electrodes 40, 41.
  • an extrusion device 100 according to the invention is preferred, wherein one electrode is the positive pole and the other electrode is the negative pole. Furthermore, an extrusion device 100 according to the invention is preferred, wherein the device for generating an electric field 4 is arranged in the output region 3 of the housing 1.
  • an extrusion device 100 wherein the displacement mandrel 5 is rotationally symmetrical and is arranged so spaced from the housing 1, so that between the housing interior and the displacement mandrel 5, an annular gap 6 is formed.
  • an extrusion device 100 is preferred, wherein the displacement mandrel 5 extends from the entrance area 2 to the exit area 3.
  • an extrusion device 100 is preferred, wherein the housing 1 further comprises a mandrel holding tool 8, which is partially disposed within the displacement mandrel 5.
  • an extrusion device is preferred, wherein the mandrel holding tool 8 has an outlet 9, which is arranged inside the displacement mandrel 5 and extends to the exit region 3 of the housing 1.
  • extrusion device 100 according to the invention, wherein the housing 1 further comprises at least one temperature sensor 7.
  • a further subject of the present invention is also a process for the production of carbon fiber-reinforced plastic semi-finished products, wherein the following steps are carried out successively:
  • melt of the composite compound 10 is tempered homogeneously by means of at least one temperature transmitter 7.
  • tubular plastic semifinished products are preferably CFRP pipes.
  • the housing is defined as an at least partially closed container, as a result of which the flow in the extrusion device is influenced.
  • a voltage of at least 50 V is applied to the electrodes of the device for generating an electric field.
  • the person skilled in the art knows that the field strength of the electric field generated depends on the applied current intensity.
  • the orientation of the carbon fibers within the extrusion apparatus according to the invention can be controlled by means of the field strength. The skilled person can determine the appropriate voltage and field strength by a few simple experiments, so as to effect the desired orientation of the carbon fibers.
  • carbon fiber-reinforced plastic semi-finished products in the context of the present invention consist of a composite compound.
  • the composite Compound consists of high-modulus carbon fibers, which are fixed by a thermoplastic-based plastic matrix in a granulated compound.
  • plastics based on polytetrafluoroethylene (PTFE) are used as the matrix base material because of their thermal and chemical properties.
  • An advantage of the use of high-modulus carbon fibers is that in addition to high thermal conductivity and high specific strength and stiffness properties, good electrical conductivity in the fiber direction furthermore has a negative thermal expansion.
  • the highest thermal conductivities at 1200 W / m * K have so-called “ultra high modulus” (UHM) special carbon fibers.
  • the thermal conductivity of the carbon fibers is generally strongly anisotropic and highest in the fiber direction.
  • UHM fibers are made from polyacrylonitrile (50%) or pitch (> 80%) due to the high carbon yield.
  • the high thermal conductivity results from special graphitization during the manufacturing process at temperatures up to 3000 ° C.
  • the preorientation of the graphite planes in the direction of the fiber axis is increased so that a strongly anisotropic material behavior is produced by means of the covalent crystal bonds.
  • the heat conduction depending on the degree of anisotropy transverse to the fiber direction max. 17 W / m * K.
  • the thermal conductivity reduces depending on the fiber content. For example, in a unidirectional laminate construction with 60% fiber volume content and 40% plastic matrix, a thermal conductivity in the fiber direction of more than 750 W / m * K can be achieved.
  • An advantage of the extrusion apparatus according to the invention and of the inventive method carried out by means of the extrusion apparatus according to the invention is that an electric field is induced by applying an electrical voltage unit in the extrusion apparatus, at the field lines of which the carbon fibers pass through the path of the lightest Define resistance defined.
  • an electrical voltage unit in the extrusion apparatus at the field lines of which the carbon fibers pass through the path of the lightest Define resistance defined.
  • the carbon fiber-reinforced tubular semi-finished plastics produced by means of the extrusion apparatus according to the invention and by means of the method according to the invention can be used in a wide range of applications. Possible areas of application include the manufacturing industry and heavy industry, for example mechanical engineering, power plant technology, thermotechnology, automotive engineering, electrical engineering, chemical products). Especially in the field of thermal engineering, the targeted orientation of highly thermally conductive carbon fibers can be used for efficient heat recovery and cooling systems, which are in high demand for the years 2020 and 2030 due to the third EU core target "Climate change and sustainable energy management".
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of an embodiment of the inventive extrusion device.
  • FIG. 2 is a perspective view of a partial section through the embodiment of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a perspective view of a partial section of a CFRP pipe
  • Fig. 5 is a perspective view of the embodiment of Figure 4; and Fig. 6, the thermal conductivity of carbon fibers, plastics, ceramics and metals in comparison.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of an embodiment of the extrusion apparatus 100 according to the invention.
  • the extrusion apparatus 100 comprises a housing 1, which comprises an entrance area 2 and an exit area 3. Accordingly, the interior of the housing 1 of the extrusion device 100 is at least partially isolated from the environment.
  • a displacement mandrel 5 is arranged in the interior of the housing 1.
  • the displacement mandrel 5 extends from the entrance area 2 to the exit area 3 of the housing 1. Together with the housing interior, the displacement mandrel 5 forms an annular gap 6.
  • a composite compound 10 is introduced into the extrusion apparatus 100.
  • the composite compound 10 consists of high-modulus carbon fibers, preferably UHM carbon fibers, which are fixed by a thermoplastic-based plastic matrix in a granulated compound.
  • plastics based on polytetrafluoroethylene (PTFE) are used as the matrix base material due to their thermal and chemical properties.
  • the introduced composite compound 10 is introduced into the annular gap 6.
  • the composite compound 10 is formed into an annular gap flow and selectively transferred via the annular gap 6 into a gap 42, which is formed between two electrodes 40, 41 of a device for generating an electric field 4.
  • the device for generating an electric field 4 is preferably arranged in the output region 3 of the housing 1.
  • the device for generating an electric field 4 has two electrodes 40, 41, one electrode being the positive pole and the other electrode being the negative pole.
  • an electrical voltage is induced by an electric field, at the field line of which the carbon fibers contained in the composite compound 10 are aligned with the axis of the extrusion device 100 via the path of least resistance with a high normal component.
  • the carbon fibers are directed from the positive pole to the negative pole.
  • the housing 1 has a mandrel holding tool 8, which is arranged at least partially within the displacement mandrel 5.
  • the mandrel holding tool 8 has an outlet 9, which is arranged in the interior of the displacement mandrel 5.
  • the outlet 9 extends to the exit area 3 of the housing 1.
  • support air 11 is introduced into the extrusion device 100 and guided via the outlet 9 to the exit area 3 of the housing 1.
  • the supporting air ensures a stabilization of the inner contour of the carbon fiber-reinforced plastic semi-finished product produced in the extrusion apparatus 100.
  • At least one temperature sensor 7 is arranged in the housing 1 of the extrusion device 100.
  • two temperature sensors 7 are shown, one temperature transmitter 7 being arranged in the input region 2 and the other temperature transmitter 7 being arranged in the output region of the extrusion device 100.
  • the temperature sensors 7 thereby determine the homogeneous temperature control of the melt of the composite compound 10.
  • FIG 2 shows a perspective view of a partial section through the embodiment of Figure 1.
  • the housing 1 of the extrusion device 100 is preferably formed as a tube.
  • the displacement mandrel 5 is rotationally symmetrical.
  • the two electrodes 40, 41 of the device for generating an electric field are tubular.
  • the electrodes 40, 41 are arranged concentrically to one another, whereby the electrodes 40, 41 form an annular gap 42.
  • the gap 42 is connected to the annular gap (not shown) of the extrusion device, which is formed between the displacement mandrel 5 and the interior of the housing.
  • the internal electrode 41 on the outside of the displacement mandrel 5 is arranged and the outer electrode 40 is disposed on the inside of the housing 1.
  • the internal electrode 41 is the positive pole and the external electrode 40 is the negative pole. In this case, as soon as an electrical voltage is applied, the carbon fibers align themselves from the positive pole to the negative pole along the field line.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of an extrusion apparatus integrated within an extrusion process.
  • an extruder 101 with a twin screw 1001 is arranged before the extrusion apparatus 100 according to the invention.
  • the extruder 101 has a plurality of heating elements 1003 and a hopper 1002, via the carbon fibers 1004 in the extruder
  • the carbon fibers 1004 are combined with a matrix material present to form the composite compound 10.
  • the composite compound 10 produced in the extruder is then introduced into the extrusion apparatus 100 according to the invention, as described above, in order to align the carbon fibers with the electric field.
  • the viscous plastic semifinished product is discharged into a calibration unit 102 via the outlet region of the housing of the extrusion device 101.
  • the calibration unit In the calibration unit
  • the outer diameter of the plastic semi-finished product is determined.
  • the properties of the plasticized composite compound 10 during the extrusion process are determined and the extrusion device dimensioned.
  • the extrusion device 100 according to the invention has a process monitoring (cavity pressure, temperature, voltage), a homogenous heat distribution (arrangement of heating elements) as well as a corresponding regulation for safe process control as well as control of the temperature control and Tension.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a partial section of a CFRP tube, which can be produced by means of the extrusion apparatus according to the invention and the inventive method.
  • the orientation of the thermally conductive carbon fibers with a high normal content within the composite compound are targeted along the tube axis.
  • FIG. 5 shows a perspective view of the CFRP pipe of FIG. 4.
  • the orientation of the carbon fibers (thin black rods) with a high normal content are aligned along the tube axis by means of the extrusion device according to the invention.
  • FIG. 6 shows the comparison of the thermal conductivity (W / m * K) of carbon fibers, plastics, ceramics and metals. From this comparison, it becomes clear that plastics such as PVDF or PP can conduct virtually no heat, whereas metals such as aluminum and copper can indeed conduct heat.
  • Plastics such as PVDF or PP
  • metals such as aluminum and copper can indeed conduct heat.
  • Aluminum has a thermal conductivity of 235 W / m * K
  • copper has a heat conduction nearly twice as high as that of aluminum.
  • the highest thermal conductivity at 1200 W / m * K is due to the special UFIM carbon fibers, which are 3 times higher in thermal conductivity than pure copper and 2700 times higher in comparison to PP and PTFE.

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Abstract

Beschrieben wird eine Extrusionsvorrichtung (100) zur Herstellung von kohle- faserverstärkten Kunststoffhalbzeugen, bestehend aus einem Gehäuse (1), welches einen Eingangsbereich (2) und einen Ausgangsbereich (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (1) eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes (4) angeordnet ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeugen beschrieben, wobei man die folgenden Schritte nacheinander ausführt: a) Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung (100) und eines Verbund-Compounds (10); b) Einleitung des Verbund-Compounds (10) über den Eingangsbereich (2) des Gehäuses (1) in die Extrusionsvorrichtung (100), c) Erzeugung eines elektrischen Feldes; d) Austragen des entstandenen Kunststoffhalbzeugs über den Ausgangsbereich (3) des Gehäuses (1) zur weiteren Verarbeitung.

Description

Extrusionsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeugen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Extrusionsvorrichtung sowie ein Ver- fahren zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeugen.
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften extrusionstechnisch hergestellter Kunststoffhalbzeuge werden die eingesetzten Compounds oft- mals mit Kohlenstofffasern angereichert. Jedoch wird die Ausrichtung der eingebrachten Fasern derzeit ausschließlich durch die bei der Extrusion ent- stehenden Strömungsvorgänge beeinflusst, wodurch sich eine unbestimmte Verteilung der Fasern einstellt. Hierdurch kommt es zu Unregelmäßigkeiten der mechanischen Eigenschaften extrudierter Bauteile. Zudem können so weitere Potentiale der Kohlenstofffasern, wie die elektrische Leitfähigkeit und die enorme Wärmeleitfähigkeit, nicht ausgenutzt werden.
Derzeitig eingesetzte Extrusionssysteme bestimmen die Strömungsvorgänge des plastifizierten faserverstärkten Verbund-Compounds durch zusätzlich eingebrachte Strömungskanäle, welche die Faserorientierung gezielt beein- flussen. Jedoch können die Fasern hierbei ausschließlich parallel zur Profil- ebene oder bei der Rohrextrusion in eine Helix-Anordnung parallel zur Rohr- achse orientiert werden. Auch dabei entsteht eine Undefinierte Ausrichtung der Fasern aufgrund der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten in den Randbereichen und im Zentrum der Strömung des plastifizierten Ver- bund-Compounds, wodurch eine gleichbleibende Bauteilqualität nicht sicher- gestellt werden kann.
Die Veröffentlichung„Method for manufacturing plastic tubes for heat exchangers containing graphite fillers“ (DOI:
http://dx.doi.org/10.4421/PAPDEOTT002961 ) offenbart die Herstellung von hochwärmeleitfähigen Kunststoffrohren durch Extrusion, wobei die Orientie- rung der Kohlenstofffasern senkrecht zur Fließrichtung durch die Verwen- dung spezieller Füllstoffe und durch die Geometrie des Fließkanals im Extru- sionswerkzeug erzielt wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels de- rer die Orientierung von Kohlenstofffasern in Kunststoffhalbzeugen gezielt beeinflusst werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Bereitstellung einer Extrusionsvorrichtung zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeugen gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Extrusionsvorrichtung 100 zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeugen, bestehend aus einem Gehäuse 1 , welches einen Eingangsbereich 2 und einen Aus- gangsbereich 3 aufweist, wobei in dem Gehäuse 1 eine Vorrichtung zur Er- zeugung eines elektrischen Feldes 4 angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100, wobei die kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeuge rohrförmig oder flächig sind.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100, wobei die Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes 4 zwei Elektroden 40,
41 aufweist.
Bevorzugt ist außerdem eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100, wobei die Elektroden 40, 41 ringförmig oder flächig ausgebildet sind.
Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100, wobei die Elektroden 40, 41 konzentrisch oder parallel zueinander angeord- net sind und einen ringförmigen oder flächigen Spalt 42 zwischen den Elekt- roden 40, 41 ausbilden.
Außerdem ist eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100 bevorzugt, wobei eine Elektrode der Pluspol und die andere Elektrode der Minuspol ist. Ferner ist eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100 bevorzugt, wo- bei die Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes 4 in dem Aus- gangsbereich 3 des Gehäuses 1 angeordnet ist.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100, wobei in dem Gehäuse 1 weiterhin ein Verdrängungsdorn 5 angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100, wobei der Verdrängungsdorn 5 rotationssymmetrisch ausgebildet ist und zu dem Gehäuse 1 derart beabstandet angeordnet ist, so dass zwischen dem Gehäuseinneren und dem Verdrängungsdorn 5 ein Ringspalt 6 ausgebildet ist.
Insbesondere ist eine Extrusionsvorrichtung 100 bevorzugt, wobei sich der Verdrängungsdorn 5 vom Eingangsbereich 2 bis zum Ausgangsbereich 3 erstreckt.
Außerdem ist eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100 bevorzugt, wobei das Gehäuse 1 weiterhin ein Dornhaltewerkzeug 8 aufweist, welches teilweise innerhalb des Verdrängungsdorns 5 angeordnet ist.
Ferner ist eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung bevorzugt, wobei das Dornhaltewerkzeug 8 einen Austritt 9 aufweist, der innerhalb des Ver- drängungsdorns 5 angeordnet ist und sich bis zum Ausgangsbereich 3 des Gehäuses 1 erstreckt.
Bevorzugt ist außerdem eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 100, wobei das Gehäuse 1 weiterhin mindestens einen Temperaturgeber 7 auf- weist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Fierstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeugen, wobei man die folgenden Schritte nacheinander ausführt:
a) Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung 100 und eines Verbund-Compounds 10; b) Einleitung des Verbund-Compounds 10 über den Eingangsbereich 2 des Gehäuses 1 in die Extrusionsvorrichtung 100,
c) Erzeugung eines elektrischen Feldes;
d) Austragen des entstandenen Kunststoffhalbzeugs über den Ausgangsbe- reich 3 des Gehäuses 1 zur weiteren Verarbeitung.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei man das Verbund- Compound 10 nach Schritt b) mittels eines Verdrängungsdorns 5 in eine Ringspaltströmung umformt.
Insbesondere ist ein erfindungsgemäßes Verfahren bevorzugt, wobei man die Schmelze des Verbund-Compounds 10 mittels mindestens eines Tempe- raturgebers 7 homogen temperiert.
Ferner ist ein erfindungsgemäßes Verfahren bevorzugt, wobei man vor Schritt d) Stützluft 11 in die Extrusionsvorrichtung 100 einführt.
Vorzugsweise sind im Sinne der vorliegenden Erfindung rohrförmige Kunst- stoffhalbzeuge CFK-Rohre.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird als Gehäuse ein zumindest teilwei- se geschlossener Behälter bezeichnet, wodurch die Strömung in der Extrusi- onsvorrichtung beeinflusst wird.
Weiterhin wird im Sinne der vorliegenden Erfindung an den Elektroden der Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, eine Spannung von mindestens 50 V angelegt. Der Fachmann weiß, dass die Feldstärke des erzeugten elektrischen Feldes von der angelegten Stromstärke abhängig ist. Vorteilhafterweise kann mittels der Feldstärke die Ausrichtung der Kohlefa- sern innerhalb der erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung gesteuert wer- den. Der Fachmann kann durch wenige einfache Versuche die geeignete Spannung und Feldstärke ermitteln, um so die gewünschte Orientierung der Kohlefasern zu bewirken.
Des Weiteren bestehen kohlefaserverstärkte Kunststoffhalbzeuge im Sinne der vorliegenden Erfindung aus einem Verbund-Compound. Der Verbund- Compound besteht aus hochmoduligen Kohlenstofffasern, welche fixiert durch eine thermoplastisch basierte Kunststoffmatrix in einem granulierten Compound vorliegen. Insbesondere werden Kunststoffe auf Basis von Poly- tetrafluorethylen (PTFE) als Matrixgrundwerkstoff, auf Grund ihrer thermi- schen und chemischen Eigenschaften, verwendet.
Vorteilhaft an der Verwendung von hochmoduligen Kohlenstofffasern ist, dass sie neben einer hohen Wärmeleitfähigkeit sowie durch hohe spezifische Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften eine gute elektrische Leitfähigkeit in Faserrichtung darüber hinaus eine negative Wärmeausdehnung aufwei- sen. Die höchsten Wärmeleiteigenschaften mit 1200 W/m*K besitzen sog. "Ultra-High-Modulus" (UHM)-Spezial-Kohlenstofffasern.
Im Unterschied zu metallischen Werkstoffen, bei denen sich die Wärmelei- tung isotrop verhält, ist die thermische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern generell stark anisotrop ausgeprägt und in Faserrichtung am höchsten. UHM- Fasern werden aufgrund der hohen Kohlenstoffausbeute auf Polyacrylnitril- (50%) oder Pech-Basis (>80%) hergestellt. Die hohe Wärmeleitzahl resultiert dabei aus einer speziellen Graphitierung während des Herstellungsprozes- ses bei Temperaturen bis zu 3000°C. Dadurch wird die Vororientierung der Graphitebenen in Richtung der Faserachse erhöht, so dass mittels der kova- lenten Kristallbindungen ein stark anisotropes Materialverhalten entsteht. Infolgedessen beträgt die Wärmeleitung je nach dem Grad der Anisotropie quer zur Faserrichtung max. 17 W/m*K. Im Verbund reduziert sich die Wär- meleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Faseranteil. So lässt sich beispielsweise bei einem unidirektionalen Laminataufbau mit 60% Faservolumengehalt und 40% Kunststoffmatrix eine Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung von mehr als 750 W/m*K erzielen.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung sowie dem mit- tels der erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung durchgeführten erfin- dungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch Anlegen einer elektrischen Span- nungseinheit in der Extrusionsvorrichtung ein elektrisches Feld induziert wird, an dessen Feldlinien sich die Kohlenstofffasern über den Weg des gerings- ten Widerstandes definiert ausrichten lassen. Dadurch können die spezifi- schen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften gezielt an Stellen der höchs- ten Krafteinleitung sowie die hohe elektrische Leitfähigkeit in Leiterplatinen und die enorme Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstofffasern durch eine definier- te Orientierung mit hohem Normal-Anteil zur Profilebene oder zur Rohrachse ausgenutzt werden.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass mittels der erfindungsgemäßen Extrusionsvor- richtung die im Stand der Technik bekannten Extrusionsanlagen auf einfache Weise verbessert werden können.
Außerdem vorteilhaft ist, dass die mittels der erfindungsgemäßen Extrusi- onsvorrichtung sowie mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestell- ten kohlefaserverstärkten rohrförmigen Kunststoffhalbzeuge in einem breiten Anwendungsbereich einsetzbar sind. Mögliche Anwendungsbereiche sind das verarbeitende Gewerbe und die Schwerindustrie, beispielsweise Ma- schinenbau, Kraftwerkstechnik, Thermotechnik, Kraftfahrzeugtechnik, Elekt- rotechnik, chemische Erzeugnisse). Insbesondere im Bereich der Thermo- technik kann die gezielte Orientierung von hochwärmeleitfähigen Kohlenstoff- fasern für effiziente Wärmerückgewinnungs- und Kühlsysteme angewendet werden, die aufgrund des dritten EU-Kernziels "Klimawandel und nachhaltige Energiewirtschaft" für die Jahre 2020 und 2030 stark nachgefragt sind.
Die vorliegende Erfindung wird mit den beigefügten Zeichnungen näher er- läutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemä- ßen Extrusionsvorrichtung;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Teilschnitts durch die Ausfüh- rungsform der Figur 1 ;
Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer Extrusionsvorrichtung;
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Teilschnitts eines CFK-Rohres;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung durch die Ausführungsform der Figur 4; und Fig. 6 die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstofffasern, Kunststoffen, Keramik und Metallen im Vergleich.
Nachfolgend wird nun die Erfindung im Einzelnen und anhand der beigefüg- ten Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Extrusionsvorrichtung 100. Die Extrusionsvorrichtung 100 besteht aus einem Gehäuse 1 , welches einen Eingangsbereich 2 und einen Ausgangsbereich 3 umfasst. Demnach ist der Innenraum des Gehäuses 1 der Extrusionsvorrichtung 100 zumindest teilweise gegenüber der Umgebung isoliert.
Im Innenraum des Gehäuses 1 ist ein Verdrängungsdorn 5 angeordnet. Der Verdrängungsdorn 5 erstreckt sich vom Eingangsbereich 2 bis zum Aus- gangsbereich 3 des Gehäuses 1. Zusammen mit dem Gehäuseinnern bildet der Verdrängungsdorn 5 einen Ringspalt 6 aus. Über den Eingangsbereich 2 des Gehäuses 1 wird in die Extrusionsvorrichtung 100 ein Verbund- Compound 10 eingebracht. Das Verbund-Compound 10 besteht aus hoch- moduligen Kohlenstofffasern, vorzugsweise UHM-Kohlenstofffasern, welche fixiert durch eine thermoplastisch basierte Kunststoffmatrix in einem granu- lierten Compound vorliegen. Insbesondere werden Kunststoffe auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) als Matrixgrundwerkstoff auf Grund ihrer ther- mischen und chemischen Eigenschaften verwendet.
Mittels des Verdrängungsdorns 5 wird das eingebrachte Verbund-Compound 10 in den Ringspalt 6 eingeleitet. Somit wird das Verbund-Compound 10 in eine Ringspaltströmung umgeformt und über den Ringspalt 6 gezielt in einen Spalt 42 überführt, der zwischen zwei Elektroden 40, 41 einer Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes 4 ausgebildet ist.
Die Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes 4 ist vorzugsweise im Ausgangsbereich 3 des Gehäuses 1 angeordnet. Die Vorrichtung zur Er- zeugung eines elektrischen Feldes 4 weist zwei Elektroden 40, 41 auf, wobei eine Elektrode der Pluspol und die andere Elektrode der Minuspol ist. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein elektrisches Feld indu- ziert, an dessen Feldlinie sich die im Verbund-Compound 10 enthaltenen Kohlenstofffasern über den Weg des geringsten Widerstandes mit hohem Normal-Anteil zur Achse der Extrusionsvorrichtung 100 ausrichten. Vorzugs- weise richten sich die Kohlenstofffasern vom Pluspol zum Minuspol.
Des Weiteren weist das Gehäuse 1 ein Dornhaltewerkzeug 8 auf, welches zumindest teilweise innerhalb des Verdrängungsdorns 5 angeordnet ist. Das Dornhaltewerkzeug 8 weist einen Austritt 9 auf, welcher im Innern des Ver- drängungsdorns 5 angeordnet ist. Der Austritt 9 erstreckt sich bis zum Aus- gangsbereich 3 des Gehäuses 1. Über das Dornhaltewerkzeug 8 wird Stütz- luft 11 in die Extrusionsvorrichtung 100 eingeleitet und über den Austritt 9 zum Ausgangsbereich 3 des Gehäuses 1 geführt. Die Stützluft sorg für eine Stabilisierung der Innenkontur des in der Extrusionsvorrichtung 100 herge- stellten kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeuges.
Weiterhin ist in dem Gehäuse 1 der Extrusionsvorrichtung 100 mindestens ein Temperaturgeber 7 angeordnet. In der in Figur 1 gezeigten Ausführungs- form sind zwei Temperaturgeber 7 dargestellt, wobei ein Temperaturgeber 7 im Eingangsbereich 2 und der andere Temperaturgeber 7 im Ausgangsbe- reich der Extrusionsvorrichtung 100 angeordnet ist. Die Temperaturgeber 7 bestimmen dabei die homogene Temperierung der Schmelze des Verbund- Compounds 10.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teilschnitts durch die Ausführungsform der Figur 1. In dieser Ansicht ist dargestellt, dass das Ge- häuse 1 der Extrusionsvorrichtung 100 vorzugsweise als Rohr ausgebildet ist. Weiterhin ist in der vorliegenden Ausführungsform der Verdrängungsdorn 5 rotationssymmetrisch ausgebildet. Des Weiteren ist gezeigt, dass die zwei Elektroden 40, 41 der Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes rohrförmig ausgebildet sind. Die Elektroden 40, 41 sind konzentrisch zuei- nander angeordnet, wodurch die Elektroden 40, 41 einen ringförmigen Spalt 42 bilden. Der Spalt 42 ist mit dem Ringspalt (nicht dargestellt) der Extrusi- onsvorrichtung verbunden, welcher zwischen dem Verdrängungsdorn 5 und dem Gehäuseinneren ausgebildet ist. In dieser Ansicht ist gezeigt, dass die innen liegende Elektrode 41 an der Außenseite des Verdrängungsdorns 5 angeordnet ist und die außen liegende Elektrode 40 an der Innenseite des Gehäuses 1 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die innen liegende Elektrode 41 der Pluspol und die außen angeordnete Elektrode 40 der Minuspol. In diesem Fall richten sich die Kohlenstoffasern, sobald eine elektrische Span- nung angelegt wird, von dem Pluspol zum Minuspol entlang der Feldlinie aus.
Figur 3 zeigt einen Längsschnitt einer Extrusionsvorrichtung, die innerhalb eines Extrusionsprozesses integriert ist. Vor der erfindungsgemäßen Extrusi- onsvorrichtung 100 ist ein Extruder 101 mit einer Doppelschnecke 1001 an- geordnet. Der Extruder 101 weist ein Vielzahl von Heizelementen 1003 auf sowie einen Trichter 1002, über den Kohlenstofffasern 1004 in den Extruder
101 eingeführt werden. In der Doppelschnecke 1001 werden die Kohlenstoff- fasern 1004 mit einem vorliegenden Matrixwerkstoff zu dem Verbund- Compound 10 kombiniert. Das in dem Extruder hergestellte Verbund- Compound 10 wird anschließend, wie zuvor beschrieben, in die erfindungs- gemäße Extrusionsvorrichtung 100 eingeführt, um die Kohlenstofffasern am elektrischen Feld auszurichten. Anschließend wird das zähflüssige Kunst- stoffhalbzeug über den Ausgangsbereich des Gehäuses der Extrusionsvor- richtung 101 in eine Kalibriereinheit 102 ausgetragen. In der Kalibriereinheit
102 wird der Außendurchmesser des Kunststoffhalbzeuges bestimmt. Somit wird durch eine gekoppelte Analyse des elektrischen Strömungsfeldes der dynamischen Strömungsvorgänge (computational fluid dynamics) sowie des thermisch-elektrischen Verhaltens, die Eigenschaften des plastifizierten Ver- bund-Compounds 10 während des Extrusionsprozesses bestimmt und die Extrusionsvorrichtung dimensioniert. Um besonders hochwertige Kunststoff- halbzeuge hersteilen zu können, weist die erfindungsgemäße Extrusionsvor- richtung 100 eine Prozessüberwachung (Werkzeuginnendruck, Temperatur, Spannung), eine homogenen Wärmeverteilung (Anordnung von Heizelemen- ten) sowie eine entsprechende Regelung zur sicheren Prozessführung sowie eine Ansteuerung der Temperierung und Spannung auf.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teilschnitts eines CFK- Rohres, welches mittels der erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann. Mittels der er- findungsgemäßen Extrusionsvorrichtung kann die Orientierung der hoch- wärmeleitfähigen Kohlenstofffasern mit hohem Normal-Anteil innerhalb des Verbund-Compounds (nicht dargestellt) gezielt entlang der Rohrachse aus- gerichtet werden. Somit können dünnwandige (t = 1 ,5 mm) CFK-Rohre her- gestellt werden, die in hoch effizienten Rohrwärmeübertragungssystemen eingesetzt werden können.
In Figur 5 ist eine perspektivische Darstellung des CFK-Rohres der Figur 4 gezeigt. In dieser Darstellung wird noch einmal deutlich, wie die Orientierung der Kohlenstoffasern (dünne schwarze Stäbchen) mit hohem Normal-Anteil mittels der erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung entlang der Rohrachse ausgerichtet werden.
Figur 6 zeigt den Vergleich der Wärmeleitfähigkeit (W/m*K) von Kohlenstoff- fasern, Kunststoffen, Keramiken und Metallen. Aus diesem Vergleich wird deutlich, dass Kunststoffe wie PVDF oder PP so gut wie keine Wärme leiten können, wohingegen Metalle, wie Aluminium und Kupfer, durchaus Wärme leiten können. Aluminium besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 235 W/m*K, und Kupfer weist eine Wärmeleitung auf, die beinahe doppelt so hoch ist wie die von Aluminium. Die höchsten Wärmeleiteigenschaften mit 1200 W/m*K besitzen jedoch die UFIM-Spezial-Kohlenstofffasern, deren Wärmeleitung 3- fach höher ist als von reinem Kupfer und 2700-fach höher im Vergleich zu PP und PTFE.
Mittels der erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung oder dem erfindungs- gemäßen Verfahren kann somit ein hoch effizientes und chemisch beständi- ges Rohrwärmeübertragungssystem aus dünnwandigen (t = < 1 ,5 mm), hoch wärmeleitfähigen CFK-Rohren, durch die gezielte Ausnutzung der hohen anisotropen Wärmeleitung von UFIM-Kohlenstofffasern (p = 2,2 g/cm3; l = 1200 W/m*K), erzielt werden. Durch eine spezielle Orientierung der Fasern mit hohem Normalen-Anteil zur Rohrachse wird die enorme Wärmleitfähigkeit des Kohlenstofffaser-Verstärkten-Kunststoffes (p = 2,0 g/cm3, l = 750
W/m*K) in Faserrichtung ausgenutzt und eine hohe Festigkeit sowie Steifig keit der Rohre erzielt. Dadurch kann die Wärmeübertragungsfläche reduziert werden. Flieraus folgt eine beträchtliche Verringerung der Fertigungszeit und der Fertigungskosten. Zudem ermöglicht die Anwendung der UFIM-Fasern aufgrund ihres negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten (< -0,1 *106/K) eine Minimierung der thermischen Rohrausdehnung, wodurch aufwändige Dehnungsabsorptionssysteme substituiert und die Gefahr von Rohrauskni- ckungen und Leckage deutlich gemindert werden können. Darüber hinaus ergibt sich eine enorme Senkung des Systemgewichtes sowie eine beträcht- liehe Beständigkeit gegenüber chemischen und medialen Belastungen durch den Einsatz einer thermoplastischen Matrix. Hierzu werden Kunststoffe auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) als Matrixgrundwerkstoff berücksich- tigt, die hinsichtlich der thermischen und chemischen Eigenschaften, bereits seit einigen Jahren für die Herstellung von Rohrwärmeübertragern im Einsatz sind.
Bezugszeichenliste
1 Gehäuse
2 Eingangsbereich
3 Ausgangsbereich
4 Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes
40 Elektrode
41 Elektrode
42 Spalt
5 Verdrängungsdorn
6 Ringspalt
7 Temperaturgeber
8 Dornhaltewerkzeug
9 Austritt
10 Verbund-Compound
11 Stützluft
100 Extrusionsvorrichtung
101 Extruder
1001 Doppelschnecke
1002 Trichter
1003 Heizelement
1004 Kohlenstofffaser
102 Kalibriereinheit

Claims

Patentansprüche
1. Extrusionsvorrichtung (100) zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeugen, bestehend aus einem Gehäuse (1 ), welches ei- nen Eingangsbereich (2) und einen Ausgangsbereich (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (1 ) eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes (4) angeordnet ist.
2. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeich- net, dass die kohlefaserverstärkten Kunststoffhalbzeuge rohrförmig o- der flächig sind.
3. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes (4) zwei Elektroden (40, 41 ) aufweist.
4. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeich- net, dass die Elektroden (40, 41 ) ringförmig oder flächig ausgebildet sind.
5. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Elektroden (40, 41 ) konzentrisch oder parallel zueinander angeordnet sind und einen ringförmigen oder flächigen Spalt (42) zwi- schen den Elektroden (40, 41 ) ausbilden.
6. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode der Pluspol und die an- dere Elektrode der Minuspol ist.
7. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes (4) in dem Ausgangsbereich (3) des Gehäu- ses (1 ) angeordnet ist.
8. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (1 ) weiterhin ein Verdrängungsdorn (5) angeordnet ist.
9. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeich- net, dass der Verdrängungsdorn (5) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und zu dem Gehäuse (1 ) derart beabstandet angeordnet ist, so dass zwischen dem Gehäuseinneren und dem Verdrängungsdorn (5) ein Ringspalt (6) ausgebildet ist.
10. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass sich der Verdrängungsdorn (5) vom Eingangsbe- reich (2) bis zum Ausgangsbereich (3) erstreckt.
11. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) weiterhin ein Dornhal- tewerkzeug (8) aufweist, welches teilweise innerhalb des Verdrän- gungsdorns (5) angeordnet ist.
12. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß Anspruch 11 , dadurch gekenn- zeichnet, dass das Dornhaltewerkzeug (8) einen Austritt (9) aufweist, der innerhalb des Verdrängungsdorns (5) angeordnet ist und sich bis zum Ausgangsbereich (3) des Gehäuses (1 ) erstreckt.
13. Extrusionsvorrichtung (100), gemäß einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) weiterhin mindestens einen Temperaturgeber (7) aufweist.
14. Verfahren zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Kunststoffhalb- zeugen, wobei man die folgenden Schritte nacheinander ausführt: a) Bereitstellung einer Extrusionsvorrichtung (100), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, und eines Verbund-Compounds (10);
b) Einleitung des Verbund-Compounds (10) über den Eingangsbereich (2) des Gehäuses (1 ) in die Extrusionsvorrichtung (100),
c) Erzeugung eines elektrischen Feldes; d) Austragen des entstandenen Kunststoffhalbzeugs über den Aus- gangsbereich (3) des Gehäuses (1 ) zur weiteren Verarbeitung.
15. Verfahren, gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verbund-Compound (10) nach Schritt b) mittels eines Verdrän- gungsdorns (5) in eine Ringspaltströmung umformt.
16. Verfahren, gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass man die Schmelze des Verbund-Compounds (10) mittels mindestens eines Temperaturgebers (7) homogen temperiert.
17. Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekenn- zeichnet, dass man vor Schritt d) Stützluft (11 ) in die Extrusionsvorrich- tung (100) einführt.
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