DE102020111181A1

DE102020111181A1 - Verfahren zur Herstellung eines Extrusionsprofils

Info

Publication number: DE102020111181A1
Application number: DE102020111181.9A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Lehmann; Martin Ullmann
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Industries SE and Co KG
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2021-10-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei zunächst mindestens ein bandförmiges Faser-Matrix-Halbzeug (2) aus einer Kunststoff-Matrix (5), in die Verstärkungsfasern (4) integriert sind, vorgewärmt wird, wobei das Faser-Matrix-Halbzeug (2) danach umgeformt, insbesondere gekrümmt wird, und wobei danach dieses Faser-Matrix-Halbzeug (2) in eine Basis-Kunststoff-Matrix (6) einextrudiert wird. Die die Umformung des Faser-Matrix-Halbzeugs (2) erfolgt erfindungsgemäß mittels Rollformen und/oder Gleitbiegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Extrusionsprofils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Im Besonderen betrifft die Erfindung ein Extrusionsprofil, das als Brüstungsleiste der Türverkleidung eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Eine derartige Brüstungsleiste ist aus dem Dokument aus der Patentschrift DE 10 2007 044 426 B4 bekannt. Diese kann aus Kunststoff bestehen und muss aufgrund von Stabilitätsanforderungen mit entsprechend großen Wandstärken ausgestattet oder auch mit Metalleinlegern versehen werden. Beide Maßnahmen führen zu einem vergleichsweise hohen Gewicht des entsprechenden Extrusionsprofils.
Aus der EP 2 493 673 B1 ist es bekannt, ein Kunststoff-Extrusionsprofil mit einem einlaufenden Organoblech zu armieren, um einerseits Gewicht einzusparen und andererseits die thermische Leitfähigkeit des Profils sowie dessen Korrosionsneigung gering zu halten.
In der Regel werden jedoch Teile aus Hochleistungs-Faserverbundkunstoffen über Laminieren, Wickeln, Injektion, Pressen, Pultrusion und Autoklaven hergestellt. Dabei werden diskontinuierlich Formteile erzeugt. Über die Wahl des Gewebes oder der Fadenanordung in Verbindung mit Druck werden die entsprechenden Festigkeiten und Eigenschaften erzeugt. Endlosprofile mit coextrudiertem Polymer können daraus nur durch gesonderte Fügeverfahren hergestellt werden, bei denen im Übrigen Hinterschnitte nicht möglich.sind. Die Gesamtfestigkeit wird damit über die Art der Fügeverbindung bestimmt. Lange Teile mit kleinem Querschnitt (wie z.B. Extrusionsprofile) sind mit hohen Investitionen in großflächige Anlagen verbunden. Die Prozesse sind sehr zeitaufwendig und bedürfen komplexerer Prozesse und Bearbeitungen, um Funktionen zu integrieren.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Extrusionsprofils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, anzugeben, welches sich auf einfache und kostengünstige Weise herstellen lässt und dabei gleichzeitig auch komplexe Querschnittsgeometrien erlaubt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,

- wobei zunächst mindestens ein bandförmiges Faser-Matrix-Halbzeug aus einer Kunststoff-Matrix, in die Verstärkungsfasern integriert sind, vorgewärmt wird,
- wobei das Faser-Matrix-Halbzeug danach umgeformt, insbesondere gekrümmt wird,
- wobei danach dieses Faser-Matrix-Halbzeug in eine Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert wird, und
- wobei die Umformung des Faser-Matrix-Halbzeugs mittels Rollformen und/oder Gleitbiegen erfolgt.

Erfindungsgemäß wird das, vorzugsweise endlose, Faser-Matrix-Halbzeug zunächst so weit erwärmt, dass der Matrixverbund eine Umformung zulässt. In einem kontinuierlichen Verfahren wird danach durch eine, beispielsweise mehrstichige Rollform- und/oder Gleitbiegetechnik wird das Faser-Matrix-Halbzeug, welches z.B. in Form eines Prepregs vorliegt, in die gewünschte Gestalt umgeformt, bevor es dem Extrusionsvorgang zugeführt wird. Zweckmäßigerweise wird das erwärmte Faser-Matrix-Halbzeug vor der Zuführung zur Extrusion nochmals konsolidiert (also z.B. so weit abgekühlt, dass es beispielsweise wieder eine stabile Form besitzt), um eine ausreichende Stabilität dieses Halbzeugs während der Einextrusion zu gewährleisten.
Die Realisierung erfolgt beim Rollformen z.B. über einen Rollensatz, wie er grundsätzlich bekannt ist aus der entsprechenden Umformung von einsprechenden Metalleinlagen, z.B. aus Aluminium oder Stahl. Das Faser-Matrix-Halbzeug wird zunächst erwärmt und hierbei dekonsolidiert. Über verschiedene Rollenpaare wird es danach in die gewünschte Form umgeformt. In den letzten Rollenpaaren wird über Spaltmaß (ehemals Faser-Matrix-Halbzeug-Stärke) das Profil dann wieder konsolidiert und abgezogen. Alternativ oder auch ergänzend kann die Umformung des Faser-Matrix-Halbzeugs z.B. mittels einer sequentiellen Gleitbiegetechnik realisiert werden. Dazu wird beispielsweise in mehreren beheizten Formstücken das Faser-Matrix-Halbzeug in die entsprechende Form gebracht. Damit sind sämtliche Profilraumformen, insbesondere auch Hinterschnitte für die Extrusion sowie ggf. auch die nachfolgende Coextrusion möglich. Die Auswahl des Verfahrens bestimmt den Grad der Konsolidierung und den Aufwand der Herstellung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch einen Gewichtsvorteil des damit hergestellten Extrusionsprofils aus. So beträgt z.B. die Dichte eines Faser-Matrix-Halbzeugs bei einem Glasfaseranteil von 50% ca. 2 g/cm³, wohingegen die Dichte von alternativen Materialien, z.B. von Aluminium 2,7 2 g/cm³ und von Stahl 7,6 g/cm³ beträgt. Ferner ist der E-Modul und damit die Steifigkeit des Faser-Matrix-Halbzeugs durch die Art der Faserverstärkung, z.B. des Glasgewebes, und des Materials der Kunststoff-Matrix gezielt einstellbar.
Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere, dass das Faser-Matrix-Halbzeug bei der Umformung in eine kontinuierliche U-Form umgeformt wird. Denkbar sind jedoch auch andere Umformungen, z.B. in eine S- oder eine L-Form. Dadurch sind der Gestaltung des zu armierenden Extrusionsprofils praktisch keine Grenzen gesetzt. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass mehrere Faser-Matrix-Halbzeuge in die Basis-Kunststoff-Matrix einextrudiert werden.
Als Verstärkungsfasern werden vorzugsweise Glasfasern und/oder Carbonfasern verwendet. Glasfasern zeichnen sich durch eine hohe Zug- und Druckfestigkeit, gute Schlagzähigkeit, gute Temperaturbeständigkeit und einen vergleichsweise günstigen Preis aus. Andere Fasermaterialien, z.B. Aramid, sind hierdurch jedoch nicht ausgeschlossen.
Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere, dass die Oberfläche des Faser-Matrix-Halbzeugs bei der Einextrusion vollständig von der Basis-Kunststoff-Matrix umschlossen wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein als Organoblech ausgebildetes Faser-Matrix-Halbzeug verwendet. Organobleche sind vorgefertigte, beispielsweise als - insbesondere gerollte - Bandware verfügbare Halbzeuge und bestehen aus einem die Verstärkungsfasern enthaltenden Fasergewebe oder Fasergelege, das in die Kunststoff-Matrix eingebettet ist.
Als polymere, vorzugsweise thermoplastische Kunststoff-Matrix für das Faser-Matrix-Halbzeug kann z.B. PP (insbesondere für Anwendungen im Kfz und der Industrie geeignet, breite Palette von coextrudierbaren Polymeren), PA, PA 6 (insbesondere für Anwendungen im Sport, im Kfz und in der Ballistik geeignet, hohe Zähigkeit, einfache Umformung, gute Oberfläche), PA 66 (Sport, Auto und Industrie, sehr gutes Preis/Leistungsverhältnis), PA 12 (insbesondere geeignet für die Anwendungen im Bereich der Elektronik und Auto, geringe Wasseraufnahme, einfache Umformung, sehr gute Oberfläche), PA 4.6 (insbesondere geeignet für Anwendungen im Bereich Kfz und Industrie, sehr hohe Wärmeformbeständigkeit und Schlagzähigkeit), PBT (insbesondere für Kfz-Anwendungen, hohe Wärmeformbeständigkeit und Schlagzähigkeit), TPU (insbesondere für Anwendungen im Bereich Sport und Industrie, hohe Schlaqzähigkeit, leicht hinterspritzbar, lackierbar), PC (insbesondere im Bereich Elektronik und Auto, leicht hinterspritzbar, sehr gute Oberflächenqualität), PPS (insbesondere im Bereich Luftfahrt und Industrie, hohe mechanische Festigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Flammwidriqkeit, hohe chemische Beständiqkeit) oder PEI (insbesondere im Bereich Luftfahrt) verwendet werden.
Als Material für die Basis-Kunststoff-Matrix kann z.B. PP, insbesondere unverstärktes PP, oder aber auch mit Zusätzen von Talkum und/oder Verstärkungsfasern, insbesondere Glasfasern verwendet werden. Das PP kann auch durchsichtig, z.B. transparent oder transluzent ausgebildet sein. Ferner können Werkstoffe in Form von lonomeren, EVAL, PPS oder COC zum Einsatz kommen. Die Oberfläche der Basis-Kunststoff-Matrix kann beschichtet werden, z.B. mit einem Lack und/oder mit einer Dekorfolie (z.B. zur Erzeugung einer „Carbon-Optik“). Auch eine Prägung dieser Oberfläche liegt im Rahmen der Erfindung.
Die Verstärkungsfasern des Faser-Matrix-Halbzeuges könne allesamt in Bandrichtung ausgerichtet oder gitterförmig angeordnet oder unter einem Winkel von ca. 45° zur Bandrichtung ausgerichtet sein. Insbesondere können die Verstärkungsfasern auch gewebeartig ausgebildet sein.
Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass das Extrusionsprofil als geschlossenes oder offenes Hohlprofil ausgebildet ist. Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann an die Basis-Kunststoff-Matrix mindestens ein weiteres, z.B. lippenförmiges Extrudat aus einem sich von der Basis-Kunststoff-Matrix unterscheidenden Werkstoff anextrudiert werden. Vorzugsweise wird das weitere Extrudat mit der Basis-Kunststoff-Matrix coextrudiert. Das weitere Extrudat wird vorzugsweise aus einem elastomeren Kunststoff bzw. einem Kunststoff mit elastomeren Eigenschaften hergestellt. So können hier z.B. thermoplastische Elastomere (TPE) zum Einsatz kommen, beispielsweise TPE-V und/oder TPE-S.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vielfältig einsetzbar. Im Kraftfahrzeugbereich (z.B. Pkw, z.B. im Bereich der Heckklappe, Lkw, Wohnmobile, insbesondere für entsprechende Aufbauten) können hiermit Profile erzeugt werden, die z.B. eine Carbonoptik besitzen sollen. Weitere bevorzugte Anwendungen sind Stromschienenabdeckungen (insbes. PC/ABSflammgeschützt), Profile mit Schutzfunktion (z.B. gegen Einbruch und/oder Beschädigung), Profile zur Versteifung (Ladekanten, Rollläden), Profile im Fenster-, Fassaden- und Baubereich, in der Luftfahrt, im Sportbereich, in der Klimatechnik, in der Solartechnik, für Sonnenkollektoren sowie im Möbelbereich (dort auch z.B. im Zusammenhang mit der Rea lisierung einer Carbonoptik). Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Extrusionsprofil als Brüstungsleiste der Türverkleidung eines Kraftfahrzeugs ausgebildet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:

1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils,
2 unterschiedliche Ausführungsformen hinsichtlich der Ausrichtung der Verstärkungsfasern eines mit einem Verfahren gemäß 1 hergestellten Extrusionsprofils,
3 den Schnitt A - A in 1 und
4 ein erfindungsgemäß hergestelltes Extrusionsprofil in einer Querschnittsdarstellung.

Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils 1. Hierbei wird zunächst ein bandförmiges Faser-Matrix-Halbzeug 2 aus einer Kunststoff-Matrix 5, in die Verstärkungsfasern 4 integriert sind (s. 3), von einer Bandrolle 10 abgezogen. Im Ausführungsbeispiel kommt ein als Organoblech ausgebildetes Faser-Matrix-Halbzeug 2 zum Einsatz, das als vorgefertigte Rollenware vorliegt. Dieses endlose Organoblech 2 wird zunächst mittels Wärmestrahler 3 so weit vorgewärmt, dass der Matrixverbund eine Umformung zulässt. Danach wird das Organoblech 2 in einer Behandlungsstation 100 in erwärmten Zustand kontinuierlich umgeformt, so dass es eine gekrümmte Form erhält. Im Ausführungsbeispiel enthält die Behandlungsstation 100 hierfür eine (nicht dargestellte) Rollformeinrichtung mit mehreren Rollenpaaren, mittels derer das endlose Organoblech 2 sukzessive in eine kontinuierliche U-Form (s.a. 4) im Querschnitt umgeformt wird. Nach der Umformung wird das Organoblech 2 mittels Abkühlung in einer Abkühlzone 200 wieder soweit konsolidiert, dass es formstabil ist und im nachfolgenden Behandlungsschritt der Extrusion seine neue Form beibehält. Das Organoblech 2 wird sodann einem Extruder 7 zugeführt. Im Extruder 7 wird das Organoblech 2 in eine Basis-Kunststoff-Matrix 6 einextrudiert, so dass am Austritt des Extruders 7 das gewünschte faserverstärkte Extrusionsprofil 1 vorliegt.
Als Verstärkungsfasern 4 werden im Ausführungsbeispiel Glasfasern verwendet. Ferner wird die Oberfläche des Organoblechs 2 bei der Einextrusion vollständig von der Basis-Kunststoff-Matrix 6 umschlossen (vergl. 4). Die Kunststoff-Matrix 5 des Faser-Matrix-Halbzeugs 2 besteht aus Polyamid (PA). Als Material für die Basis-Kunststoff-Matrix 6 wird Polypropylen (PP) verwendet. Wie aus 2 ersichtlich, können die Verstärkungsfasern 4 des Faser-Matrix-Halbzeuges 2 allesamt in Band- bzw. Extusionsrichtung x ausgerichtet (linke Darstellung) oder gitterförmig angeordnet (mittlere Darstellung) oder unter einem Winkel von ca. 45° zur Bandrichtung ausgerichtet sein (Darstellung rechts). Insbesondere können die Verstärkungsfasern 4 aber auch gewebeartig ausgebildet sein (nicht dargestellt).
4 zeigt ein erfindungsgemäß hergestelltes Extrusionsprofil 1, welches als Brüstungsleiste der Türverkleidung eines Kraftfahrzeugs und als offenes Hohlprofil ausgebildet ist. Es ist erkennbar, dass das einextrudierte Organoblech 2 - wie zuvor schon hins. des Ausführungsbeispiels gemäß 1 beschrieben - eine kontinuierliche U-Form besitzt und vollständig von der Basis-Kunststoff-Matrix 6 umschlossen ist. Es ist erkennbar, dass hier an die Basis-Kunststoff-Matrix 6 weitere Extrudate 20 aus einem sich von der Basis-Kunststoff-Matrix 6 unterscheidenden Werkstoff anextrudiert werden. Im Ausführungsbeispiel werden die weiteren Extrudate 20 mit der Basis-Kunststoff-Matrix 6 coextrudiert und sind teilweise als Dichtungslippen ausgebildet und im Inneren des vom Extrusionsprofil 1 gebildeten Hohlraumes angeordnet. Die weiteren Extrudate 20 besitzen elastomere Eigenschaften und sind aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) hergestellt. Die äußere Oberfläche der Basis-Kunststoff-Matrix 6 ist ferner bereichsweise mit einer Dekorfolie 30 beschichtet, um eine bestimmte Optik (z.B. Carbon-Optik) zu bewirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007044426 B4 [0002]
EP 2493673 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Extrusionsprofils (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, - wobei zunächst mindestens ein bandförmiges Faser-Matrix-Halbzeug (2) aus einer Kunststoff-Matrix (5), in die Verstärkungsfasern (4) integriert sind, vorgewärmt wird, - wobei das Faser-Matrix-Halbzeug (2) danach umgeformt, insbesondere gekrümmt wird, - wobei danach dieses Faser-Matrix-Halbzeug (2) in eine Basis-Kunststoff-Matrix (6) einextrudiert wird, und - wobei die Umformung des Faser-Matrix-Halbzeugs (2) mittels Rollformen und/oder Gleitbiegen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Matrix-Halbzeug (2) in eine kontinuierliche U-Form umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsfasern (4) Glasfasern und/oder Carbonfasern verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Faser-Matrix-Halbzeugs (2) bei der Einextrusion vollständig von der Basis-Kunststoff-Matrix (6) umschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Organoblech ausgebildetes Faser-Matrix-Halbzeug (2) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (4) des Faser-Matrix-Halbzeuges (2) allesamt in Bandrichtung ausgerichtet oder gitterförmig angeordnet oder unter einem Winkel von ca. 45° zur Bandrichtung ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an die Basis-Kunststoff-Matrix (6) mindestens ein weiteres Extrudat (20) aus einem sich von der Basis-Kunststoff-Matrix (6) unterscheidenden Werkstoff anextrudiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7, dass das weitere Extrudat (20) mit der Basis-Kunststoff-Matrix (6) coextrudiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Extrudat (20) aus einem elastomeren Kunststoff bzw. einem Kunststoff mit elastomeren Eigenschaften hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Extrusionsprofil (1) als Brüstungsleiste der Türverkleidung eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.