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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstanter Querschnittsfläche, bei welchem Endlosfasern unter Zugbeaufschlagung durch ein Formgebungswerkzeug geführt werden und beim Schließen des Formgebungswerkzeugs in einer vordefinierten Position angeordnet und gehalten werden, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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Zur Herstellung von duroplastischen faserverstärkten Kunststoffprofilen sind verschiedene Verfahren bekannt. Die für diese Verfahren verwendeten Vorrichtungen sind ähnlich aufgebaut und weisen üblicherweise ein Faserregal, eine Faserführung, eine Imprägniereinrichtung, ein Formgebungs- oder Aushärtungswerkzeug, eine Abzugseinheit und eine Ablängeinheit auf. Die bekannten Verfahren unterscheiden sich vorwiegend in der Art der Matriximprägnierung. Die Imprägnierung der Faser mit der Matrix kann auf zwei verschieden Arten erfolgen. Entweder werden die Fasern vor Einlauf in das Werkzeug gespreizt und durch ein Harzbad gezogen oder die Matrix wird in das Werkzeug eingespritzt. Bei dem zweiten Verfahren werden die Verstärkungsfasern üblicherweise zunächst durch ein Imprägnierwerkzeug geführt. Dieses Werkzeug weist die Form des herzustellenden Profils auf und weitet sich im Inneren auf. In diesen Hohlraum wird die Matrix quer zur Faserrichtung eingespritzt. In einem weiteren, temperierten Werkzeug finden die letztendliche Formgebung des Profils sowie die Polymerisation bzw. Aushärtung statt. Das fertige Halbzeug wird von einer Abzugseinheit, die sich am Ende der Anlage befindet, üblicherweise kontinuierlich gefördert (Pultrusion).
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Diese bekannten Verfahren sind für das Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstantem Querschnitt nur bedingt geeignet, da ein stabiler Herstellprozess bei Thermoplasten engere Randbedingungen erfordert. Beispielsweise ist aufgrund einer geringeren Viskosität der Thermoplaste im Gegensatz zu den einzelnen Komponenten von Duromeren eine geeignete Benetzung der Fasern bei einem Einspritzen erschwert. Diesem Effekt kann durch Einspritzen der Monomere der Thermoplaste entgegengewirkt werden, allerdings ist die dabei notwendige Polymerisation aufwändiger. Entsprechend kann mit den bekannten Verfahren keine ausreichende Prozesssicherheit bei der Herstellung von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen gewährleistet werden.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2010 019 625 B4 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Polymerisationsprozess und der Formgebungsprozess bei flächigen, nicht kontinuierlich hergestellten Bauteilen zu einem Schritt integriert werden. Vorgeformte, trockene Fasergelege werden zeitaufwändig in einen ersten Formhohlraum eingelegt und mit einer reaktiven Matrix infiltriert. Während des Infiltrationsprozesses muss das Fasergelege an der vorbestimmten Position bleiben. Die Verwendung von Monomeren mit ausreichend niedriger Viskosität ermöglicht ein gutes und schonendes Benetzen der trockenen Fasern, wobei eine Verwendung von Thermoplasten als Matrixmaterial möglich ist. Auf diese Weise können beispielsweise thermoplastische Kunststoffteile mit sehr dünnen Wandstärken hergestellt werden.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein ausreichend prozesssicheres Verfahren zum Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstanter Querschnittsfläche vorzuschlagen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstanter Querschnittsfläche vorgeschlagen, bei welchem mehrere Endlosfasern unter Zugbeaufschlagung durch ein Formgebungswerkzeug geführt werden. Beim Schließen des Formgebungswerkzeugs werden die Endlosfasern in einer vordefinierten Position angeordnet und gehalten, in welcher sie eine Abdichtfunktion für einen im Formgebungswerkzeug angeordneten Formhohlraum übernehmen. Die Endlosfasern werden während einem Einspritzen der Monomere in den Formhohlraum und einer nachfolgenden Polymerisation an der vordefinierten Position gehalten. Nach der Formgebung wird der hergestellte Abschnitt des Halbzeugs aus dem Formgebungswerkzeug gezogen, wodurch der an diesem anschließende Abschnitt der Endlosfasern in den Formhohlraum des Formgebungswerkzeugs geführt wird.
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Die bei dem Verfahren zum Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstanter Querschnittsfläche verwendeten Endlosfasern werden unter Zugbeaufschlagung durch ein Formgebungswerkzeug geführt und ragen bei geschlossenem Formgebungswerkzeug entsprechend über dieses hinaus. In Richtung des Abzugs kann das Formgebungswerkzeug bei Halbzeugen, deren Querschnitt keine Hohlräume aufweist, beispielsweise so ausgebildet sein, dass dieses in einer Trennebene den im vorausgehenden Prozessschritt hergestellten Querschnitt des Halbzeugs aufnimmt. Die Abdichtung kann dann um dessen Umfang herum erfolgen.
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Insbesondere in einer Richtung zum Faserregal oder auch an beiden Seiten des Formhohlraums übernehmen die Endlosfasern eine Abdichtfunktion für den im Formgebungswerkzeug angeordneten Formhohlraum. Vom Faserregal her werden die Endlosfasern insbesondere im Rohzustand (eine Vorbehandlung soll im Rahmen dieser Erfindung nicht ausgeschlossen sein) in den Formhohlraum des Formgebungswerkzeugs geführt. In einer zur Abdichtung sowie entsprechend der vorgesehenen Positionierung und Faserverteilung der Endlosfasern im späteren Halbzeug geeigneten Weise werden die Endlosfasern einzeln oder in Form von insbesondere mehreren Strängen an vordefinierten Positionen im Trennbereich des Formgebungswerkzeugs angeordnet und dort gehalten. In dieser Position verbleiben die Endlosfasern während des gesamten Verfahrensabschnitts vom Einbringen der Monomere, der Polymerisation bis zur abgeschlossenen Formgebung. Die Endlosfasern bleiben also ab dem Schließen des Formhohlraums bis zu dessen Öffnung und bis zur abgeschlossenen Ausformung des hergestellten Abschnitts des Halbzeugs in dieser Position.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die noch nicht miteinander verbundenen Endlosfasern in den einen für das vorgeschlagene Verfahren erforderlichen Formhohlraum gezogen und dort positioniert. Anschließend werden die Monomere, bei dem es sich beispielsweise um ε-Caprolactam (ein Vorprodukt von Polyamid) handeln kann, eingespritzt und polymerisiert. Dadurch, dass die Endlosfasern insbesondere unter Spannung stehend an den jeweils vorgesehenen Positionen im Formhohlraum angeordnet sind, kann eine Einspritzung der Monomere in den Formhohlraum ohne erhöhte Gefahr eines Verrutschens und damit einer unerwünschten Anordnung der Endlosfasern im Halbzeug erfolgen. Auf diese Weise können thermoplastische faserverstärkte Halbzeuge mit konstantem Querschnitt in reproduzierbaren Verfahrensschritten in einem kontrollierbaren, teilkontinuierlichen Verfahren hergestellt werden. Gleichzeitig kann auch die Produktqualität und deren Überprüfbarkeit erhöht werden. Neben einer guten Benetzung der einzelnen Fasern ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren auch einen hohen Faservolumengehalt.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Endlosfasern in der Schließposition des Formgebungswerkzeugs an Klemmpositionen des Formgebungswerkzeugs geklemmt. Am Formgebungswerkzeug vorgesehene Klemmpositionen nehmen beispielsweise einzelne Endlosfasern oder eine Mehrzahl von Endlosfasern, die zu wenigstens einem Strang zusammengefasst sind, auf. Durch die Aufnahme und Klemmung von Endlosfasern an vorgesehenen Klemmpositionen erfolgt eine Abdichtung des Formhohlraums im Formgebungswerkzeug.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens stehen die Endlosfasern in der Schließposition des Formgebungswerkzeugs unter Spannung. Dies ermöglicht eine besonders gute Positionierung der Endlosfasern im Formhohlraum insbesondere während dem Einspritzen der Monomere in den Formhohlraum.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Monomere im Wesentlichen quer zur Richtung der Endlosfasern in den Formhohlraum des Formgebungswerkzeugs eingespritzt. Eine Einspritzung der Monomere im Wesentlichen quer zur Richtung der Endlosfasern ermöglicht ein gutes Eindringen der Monomere zwischen die einzelnen Fasern insbesondere bei Faserpaketen und damit eine besonders gute Benetzung der einzelnen Fasern.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Endlosfasern vor dem Eintritt in das Formgebungswerkzeug getrocknet. Das Trocknen der Endlosfasern vor dem Eintritt in das Formgebungswerkzeug dient der Gewährleistung besonders trockener Fasern, was für einen stabilen und reproduzierbaren Prozess von Vorteil ist. Beispielsweise benötigt man das Trocknen der Endlosfasern, wenn diese bei einer vorausgehenden Lagerung Feuchtigkeit aufgenommen haben könnten.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Halbzeug entsprechend den in einem Verfahrensschritt hergestellten Abschnitten abgelängt. Eine solche Ausführungsform kann besonders dann vorteilhaft sein, wenn der Formhohlraum entsprechend einer gewünschten Halbzeuglänge ausgebildet ist. Eine solche Ausführungsform kann aber auch zweckmäßig sein, wenn im Verfahren, insbesondere durch das Halten der Endlosfasern an einer Trennebene des Formgebungswerkzeugs eine Schlecht- bzw. Ausschussstelle gebildet wird, die aus dem Halbzeug zu entfernen ist.
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Mit dem vorausgehend beschriebenen Verfahren wird ein thermoplastisches faserverstärktes Halbzeug mit konstanter Querschnittsfläche hergestellt. Dabei kann der Bereich des Halbzeugs, welcher die Abdichtfunktion für den im Formgebungswerkzeug angeordneten Formhohlraum übernommen hat, eine vordefinierte Geometrie aufweisen, welche sich insbesondere auch vom weiteren Querschnitt des Halbzeugs unterscheidet.
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Die in einem Verfahrensschritt hergestellten Abschnitte eines mit einem vorausgehend beschriebenen Verfahren hergestellten thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugs mit konstanter Querschnittsfläche weisen eine vorbestimmte Länge auf, welche insbesondere der Länge des Formhohlraums des Formgebungswerkzeugs entspricht.
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In einem weiteren Aspekt zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstanter Querschnittsfläche vorgeschlagen, welche aufweist:
- - ein Faserregal, in welchem mehrere Endlosfasern speicherbar sind,
- - eine Faserführung, mit welcher Endlosfasern führbar sind,
- - ein Formgebungswerkzeug mit einem darin angeordneten Formhohlraum,
- - eine mit dem Formgebungswerkzeug verbundene Spritzgießeinheit, mit welcher die Monomere in den Formhohlraum einspritzbar sind,
- - eine Abzugseinheit, mit welcher eine Zugbelastung auf die Endlosfasern aufbringbar ist und
- - eine Ablängeinheit, mit welcher das hergestellte Halbzeug ablängbar ist.
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Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung übernehmen die Endlosfasern in der Schließposition des Formgebungswerkzeugs eine Abdichtfunktion des Formhohlraums. Dabei ist die Spritzgießeinheit so am Formgebungswerkzeug angeordnet, dass die Monomere zwischen die im Formhohlraum angeordneten Endlosfasern einspritzbar sind, wobei die Endlosfasern bei einer nachfolgenden Polymerisation und Formgebung im Formgebungswerkzeug in einer vorgesehen Position gehalten werden.
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Die Vorrichtung ist insbesondere ausgebildet zur Durchführung des vorausgehend beschriebenen Verfahrens zum Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstanter Querschnittsfläche. So gelten die vorausgehend genannten Ausführungen und Vorteile entsprechend auch für die Vorrichtung zum Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstanter Querschnittsfläche.
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Die Spritzgießeinheit ist so am Formgebungswerkzeug angeordnet, dass die Monomere zwischen die im Formhohlraum angeordneten Endlosfasern einspritzbar sind. Die Anordnung und Zahl der hierfür am Formhohlraum angeordneten Einspritzdüsen ist abhängig von der Geometrie des Halbzeugs und der Anordnung der Endlosfasern im Formhohlraum und wird entsprechend so ausgelegt, dass eine möglichst gute Benetzung der im Formhohlraum angeordneten Endlosfasern erfolgen kann.
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Die Faserführung, mit welcher die Endlosfasern führbar sind, dient zum Führen wenigstens eines Teils von Endlosfasern zwischen dem Faserregal und dem Formhohlraum. Insbesondere kann die Faserführung auch zum Positionieren der Endlosfasern gegenüber dem Formhohlraum bzw. den daran angeordneten Klemmpositionen vor dem Schließen des Formgebungswerkzeugs dienen.
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Die Vorrichtung weist ferner eine Abzugseinheit auf, mit welcher eine Zugbelastung auf die Endlosfasern aufbringbar ist. Bleibt die Zugbelastung während dem Schließen des Formgebungswerkzeugs aufrechterhalten, stehen die Endlosfasern in der Schließposition des Formgebungswerkzeugs im Formhohlraum unter Spannung. Dies ermöglicht eine besonders gute Beibehaltung der Position der Endlosfasern insbesondere während dem Einspritzen der Monomere in den Formhohlraum.
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Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung weist das Formgebungswerkzeug wenigstens eine Klemmposition auf, an welcher die Endlosfasern in der Schließposition des Formgebungswerkzeugs zwischen den Formelementen des Formgebungswerkzeugs festklemmbar sind, und welche die Endlosfasern an einer vorgesehenen Position hält. Eine solche Klemmposition nimmt beispielsweise einzelne Endlosfasern oder eine Mehrzahl von Endlosfasern auf, die zu wenigstens einem Strang zusammengefasst sind. Durch die Aufnahme und Klemmung von Endlosfasern an einer Klemmposition werden die Endlosfasern einerseits an einer vorgesehenen Position angeordnet. Ferner erfolgt durch das Klemmen der Endlosfasern zwischen den Elementen des Formgebungswerkzeugs eine Abdichtung des Formhohlraums im Formgebungswerkzeug.
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Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung sind die Monomere im Wesentlichen quer zur Richtung der Endlosfasern in den Formhohlraum des Formgebungswerkzeugs einspritzbar. Wie bereits ausgeführt ermöglicht eine Einspritzung der Monomere im Wesentlichen quer zur Richtung der Endlosfasern in den Formhohlraum eine besonders gute Benetzung der einzelnen Fasern.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung zum Herstellen von thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugen mit konstanter Querschnittsfläche;
- 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf den geöffneten Formhohlraum; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Ansicht von vorne auf den sich schließenden Formhohlraum.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung 10 zum Herstellen eines thermoplastischen faserverstärkten Halbzeugs mit konstanter Querschnittsfläche 1. In 1 weist die Vorrichtung 10 von rechts nach links die folgenden Einrichtungen auf: Ein Faserregal 11, in dem mehrere Endlosfasern 2 auf Spulen 3 gespeichert sind; eine optional an der Vorrichtung anordenbare Trockeneinrichtung 12 zum Trocknen der Endlosfasern 2. Da die Trockeneinrichtung 12 nur wahlweise an der Vorrichtung 10 verbaut ist, ist diese in 1 gestrichelt dargestellt. Am Formgebungswerkzeug 14 ist eine Faserführung 13 angeordnet, welche die Endlosfasern 2 an die richtige Position am Formgebungswerkzeug 14 führt. Im Formgebungswerkzeug 14 ist ein Formhohlraum 15 angeordnet, welcher entsprechend der herzustellenden Form des Halbzeugs 1 ausgebildet ist. Mit dem Formgebungswerkzeug 14 ist eine Spritzgießeinheit 16 verbunden, mit welcher die Monomere in den Formhohlraum 15 einspritzbar sind. In Herstellungsrichtung ist nach dem Formgebungswerkzeug 14 eine Abzugseinheit 17 angeordnet, die eine Zugbelastung auf die Endlosfasern 2 aufbringt. Am Ende folgt eine Ablängeinheit 18 zum Ablängen des hergestellten Halbzeugs 1.
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Bei der Herstellung des Halbzeugs 1 werden die Endlosfasern 2 bzw. das Halbzeug 1 von der Abzugseinheit 17 in 1 nach links vom Faserregal 11 durch die Vorrichtung 10 und dabei auch durch das Formgebungswerkzeug 14 gezogen. In 1 wurde der vorausgehend hergestellte Abschnitt des Halbzeugs 1 bereits aus dem Formhohlraum 15 gezogen. Im Formhohlraum 15 befinden sich nun lediglich die aus dem letzten hergestellten Abschnitt des Halbzeugs 1 ragenden Endlosfasern 2. Wird der Formhohlraum 15 des Formgebungswerkzeugs 14 nun geschlossen, so werden die Endlosfasern 2 an Klemmpositionen 19 am Formgebungswerkzeug 14 geklemmt und übernehmen dabei eine Abdichtfunktion des Formhohlraums 15. Nach dem Schließen des Formhohlraums 15 spritzt die Spritzgießeinheit 16 die Monomere zwischen die im Formhohlraum 15 angeordneten Endlosfasern 2 ein. Durch das Klemmen der Endlosfasern 2 an den Klemmpositionen 19 am Formgebungswerkzeug 14 werden die Endlosfasern 2 bei der nachfolgenden Polymerisation und Formgebung im Formgebungswerkzeug 14 an der vorgesehenen Position gehalten.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf den geöffneten Formhohlraum 15, durch welchen sich Endlosfasern 2 in Form von zwei Fasersträngen erstrecken. Die Endlosfasern 2 stehen dabei unter der von der Abzugseinheit 17 aufgebrachten Spannung. An den Rändern des Formhohlraums 15 sind die Endlosfasern 2 an Klemmpositionen 19 positioniert, welche in 3 in einer Sicht von vorne auf das Formgebungswerkzeug 14 gezeigt sind.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ansicht von vorne auf den sich schließenden Formhohlraum 15. Das obere 14a und untere 14b Formteil des Formgebungswerkzeugs 14 weisen in diesem Bereich zwei Klemmpositionen 19 auf. Eine untere Klemmposition 19a weist eine Aussparung und eine obere Klemmposition 19b weist einen Vorsprung auf, welcher in einer Schließposition des Formgebungswerkzeugs 14 einen Raum in der Aussparung belässt, welcher dem Querschnitt der an der Klemmposition 19 vorgesehenen Endlosfasern 2 entspricht. Somit übernehmen die an den Klemmpositionen 19 angeordneten Endlosfasern 2 in der Schließposition des Formgebungswerkzeugs 14 eine Abdichtfunktion des Formhohlraums 15. Im rechts dargestellten Detail in 3 ist gut erkennbar, dass die Endlosfasern 2 in einer dichten Packung an der Klemmposition 19 geklemmt sind. Während dem nach dem Schließen des Formhohlraums 15 erfolgenden Einspritzen der Monomere in den Formhohlraum 15 und der nachfolgenden Polymerisation werden die Endlosfasern 2 an den durch die Klemmpositionen 19 vordefinierten Positionen gehalten.
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Nach der Formgebung, welche beispielsweise unter einer zusätzlichen Druckbeaufschlagung des Formhohlraums 15 erfolgen kann, wird der hergestellte Abschnitt des Halbzeugs 1 von der Abzugseinheit 17 aus dem Formgebungswerkzeug 14 gezogen. Dadurch werden die aus dem vorher hergestellten Abschnitt des Halbzeugs 1 ragenden Endlosfasern 2 in den Formhohlraum 15 des Formgebungswerkzeugs 14 geführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbzeug
- 2
- Endlosfaser
- 3
- Spule
- 10
- Vorrichtung zum Herstellen von Halbzeugen
- 11
- Faserregal
- 12
- Trockeneinrichtung
- 13
- Faserführung
- 14
- Formgebungswerkzeug
- 14a
- oberes Formteil des Formgebungswerkzeugs
- 14b
- unteres Formteil des Formgebungswerkzeugs
- 15
- Formhohlraum
- 16
- Spritzgießeinheit
- 17
- Abzugseinheit
- 18
- Ablängeinheit
- 19
- Klemmposition
- 19a
- untere Klemmposition
- 19b
- obere Klemmposition
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010019625 B4 [0004]