DE19852159C1 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, thermoplastischen Hohlkörpern - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung rotations- aber nicht notwendiger Weise rotationssymmetrischer faserverstärkter Hohlkörper im Urformverfahren mit thermoplastischer Matrix, wobei die Faserimprägnierung über einen an eine Filament-Winding-Anlage (1) applizierten Aufschmelzextruder (2) mit nachgeschalteter Ummantellungsdüse (6) erfolgt. Das Verfahren betrifft die Zusammenführung von thermoplastischer Matrix und einem Verstärkungshalbzeug in einer Ummantellungsdüse (6) mit vorzugsweiser Verjüngung in Abzugsrichtung soie die anschließende Ablage des imprägnierten und vorkonsolidierten Wickelhalbzeuges auf dem Wickelkern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Faserimprägnierung und Herstellung faserverstärkter Hohlkörper mit thermoplasti­ scher Matrix, wobei die Faserimprägnierung über einen an eine Filament-Winding-Anlage applizierten Extruder mit nachge­ schalteter Ummantelungsdüse erfolgt.

Es ist bekannt, daß derzeit das Wickeln von faserverstärkten Verbunden mit duroplastischen Matrixmaterialien im Vorder­ grund der industriellen Fertigung von Wickelkörpern steht. Durch die von Funck (Entwicklung innovativer Fertigungstech­ niken zur Verarbeitung kontinuierlich faserverstärkter Ther­ moplaste im Wickelverfahren, VDI-Vortschrittsberichte, Reihe 2: Fertigungstechnik, Nr.: 393) sowie Michaeli, Rau und Jürss (Fertigung von bauteilen im Pultrusions- und Wickelverfahren, Kunststoffberater 6/1995, S. 29-33) beschriebenen Vorteile der möglichen Kostensenkung von ca. 20%, der guten mechani­ schen Ewigenschaften und chemischen Beständigkeit, der Wie­ derverwertbarkeit sowie dem Wegfall der zeitintensiven Aus­ härtung ergeben sich zunehmend Anwendungen für gewickelte Bauteile mit thermoplastischer Matrix in der Elektrotechnik, dem Bauwesen, der Automobilindustrie sowie im Anlagen- und maschinenbau. Anwendungsbeispiele sind hierbei Rohre, Wellen, Tanks oder auch Druckbehälter, so daß die Umsetzung des Wickelprozesses mit thermoplastischen Matrixkomponenten seit einiger Zeit verfolgt wird.

Eine industrielle und wirtschaftliche Umsetzung ist derzeit noch nicht zufriedenstellend gelöst, so daß einerseits Be­ strebungen zur Verbesserung der Imprägniereigenschaften des Fasermateriales mit der Matrixkomponente durchgeführt und andererseits die Qualitäten der Konsolidierung des Verbundes durch den Einsatz geeigneter Erhitzersysteme erhöht werden.

Zu den bekannten Werkstoffmodifizierungen gehören imprägnier­ te bzw. pulverimprägnierte Faserrovings (z. B. FIT-Material Glasfaser/Polypropylen) sowie umsponnene oder verzwirnte Hybridgarne (z. B. Twintex-Roving von Vetrotex).

Gleichzeitig wird in der Literatur ausführlich über das Wickeln mit offener Flamme von Funck, Neitzel und hausmann (Fertigung thermoplastischer Druckbehälter im Faserwickelver­ fahren, Vortrag 27. AVK-Tagung Baden-Baden, 10/1996; Ther­ moplast-Wickelverfahren für Fahrradrahmen, Kunststoffe 3/1995, S. 372-374) berichtet, wobei z. B. Cellulose- oder auch Naturfasern mittels dieser technologischen Variante nicht verarbeitet werden können. Rosbach erläutert die Kon­ zeption und Realisierung eines Thermoplastwickeloverfahrens auf der Basis eines Infrarot-Erhitzersystems (Diplomarbeit, ETH Zürich, 1995) sowie die Kontakterwärmung. Letztere führt zum Anhaften der Schmelze und zu einem Verkleben der Füh­ rungs- bzw. Konsolidierungselemente. Über das Aufschmelzen der Matrix durch Kontakt-, Infrarot- oder Heißlufterhitzer berichten Born et al (Mit Thermoplasten imprägnierte Fasern wickeln, Plastverarbeiter 5/1990, S. 18-25) sowie Neitzel et al (Filament winding with thermoplastic matrices - current development & equipment, Japan International SAMPE Technical Seminar '94, Kyoto 14./15. 07. 1994).

Diese Energieübertragungen sind infolge der Regelung, insbe­ sondere bei schnellen Änderungen der faserwickelgewschwindig­ keit z. B. in den Wendezonen, begrenzt.

Nachfolgende Patente beschreiben lediglich Vorrichtungen zur Ummantelung eines verdrillten Kabels (DE 40 03 735 A1), Verfahren und Vorrichtungen zum Vernetzen von Polymeren in Form von langgestrecktem Wickelgut (DE 44 25 593 A1) sowie Vorrichtungen zum Herstellen eines Rohres durch schraubenwendelförmiges Aufwickeln (DE 31 45 122 A1).

Ziel der Erfindung ist es, ein geeignetes, einfaches und wirtschaftliches Verfahren zur Faserimprägnierung und Wick­ lung bei der Herstellung faserverstärkten, auch naturfaser­ verstärkten, Hohlkörpern mit thermoplastischer Matrix bei hoher Produktqualität zu entwickeln.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Im wesentlichen erfolgt dies durch die Kombination der Filament-Winding-Technik mit der Extrusi­ ons- und Pultrusionstechnologie, eine verfahrensvariante zur On-line-Imprägnierung kontinuierlicher, aber nicht notwendi­ ger Weise kontinuierlicher, wickelbarer, textiler Verstär­ kungshalbzeuge mit thermoplastischen Matrices und somit die Herstellung von gewickelten, thermoplastischen Faser- Kunststoff-Verbunden. Dabei hat das Verfahren zur Herstellung gewickelter Hohlkörper mit thermoplastischer Matrix die Aufgabe, im Wickelverfahren verarbeitbare textile Fadenhalb­ zeuge (Roving, Garn, Filament, Band, Gewebe etc.) von einer Spule abzuziehen, in einer Ummantelungsdüse mit durch eine Aufschmelzextruder zugeführter thermoplastischer Schmelze zu imprägnieren und auf einen sich drehenden Formkern abzulegen.

Die Imprägnierung der Verstärkungshalbzeuge erfolgt in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung faserverstärkter thermoplastischer Faser-Verbund-Kusntstoffe dadurch, daß die Verstärkungshalbzeuge einer nach dem Pultrusionsprinzip arbeitenden Ummantelungsdüse (Bild 1, Position 6) zugeführt werden, gleichzeitig die an einen Aufschmelzextruder (2) adaptierte Ummantelungsdüse (6) von diesem mit der Ther­ moplastschmelze gespeist wird und die Schmelze sowie Verstär­ kungsfaser bzw. -halbzeug zusammenführt. Neben der Vermi­ schung von Faser und Matrix und/oder der Ummantelung der Faser durch die Matrix erfolgt eine On-line-Imprägnierung bzw. Vorkonsolidierung über die Pultrusionstechnik, in der sich in Produktionsrichtung vorzugsweise verjüngenden Umman­ telungsdüse (6), so daß die nach dem erfindungsgemäßen ver­ fahren hergestellten Faser-Kunststoff-Verbunde, im Vergleich zu bisher eingesetzten Erhitzersystemen, eine hohe Verbund­ qualität aufweisen. Der Düsenausgang ist dabei so konzipiert, daß eine Ablage des derart thermoplastisch imprägnierten Verstärkungshalbzeuges auf dem rotierenden Formkern erfolgen kann und eine weitere Energieeinbringung durch zusätzliche Erhitzersysteme nicht notwendig ist.

Das Verfahren stellt somit eine geeignete, einfache sowie wirtschaftliche Methode dar, um in einer Verfahrensstufe das eingesetzte Verstärkungshalbzeug mit der thermoplastischen Matrix zu imprägnieren und die definierte Ablage auf einen rotierenden Formkern zu ermöglichen. Das beschriebene Verfah­ ren zeichnet sich besonders durch die Herstellung eines gewickelten thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbundes mit hoher Verbundqualität aufgrund ausgezeichneter Imprägnierung von Verstärkungs- mit dem Matrixsystem aus.

Die Erfindung wird im folgenden anhang des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert.

Die in Bild 1 dargestellte Pultrusionswickelanlage zur On­ line-Imprägnierung wickelbarer Verstärkungshalbzeuge mit thermoplastischer Matrix, bestehend aus einem auf dem Support (5) einer Filament-Winding-Anlage (1) mit Wickelkern (4) befindlichen Aufschmelzextruder (2) mit Einfülltrichter (3) und Ummantelungsdüse (6), zeichnet sich durch die definierte und wirtschaftliche Imprägnierung hoher Qualität von Verstär­ kungsmaterialien mit der durch den Aufschmelzextruder (2) der Ummantelungsdüse (6, Bild 2) zugeführten Schmelze sowie die durch die vorgegebene Faserwickelgeschwindigkeit und den Vorschub des Supports (5) vordefinierte Ablage auf dem rotie­ renden Wickelkern (4) der Filament-Winding-Anlage (1) aus.

Das Verstärkersystem kann bei dem erfindungsgemäßen Pultrusi­ onswickelverfahren in Band-, Garn-, Flyer- oder auch Hybrid­ flyergarn- sowie in Rovingform zum Einsatz gebracht werden. Auch ist der Einsatz textiler Gewebe und Mattenhalbzeuge möglich, wobei als Fasermaterialien z. B. Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Carbon- und/oder Naturfasern verwendet werden können.

Beispiel 1

Zur Entwicklung einer neuen Verfahrenstechnologie durch die Kombination von Wickel- und Extrusionsprozeß zur Herstellung von rotationssymmetrischen Wickelkörpern wurde zum Einbringen der Matrixkomponente in den Verbund in einem ersten Prozeß­ schritt ein in seiner Struktur offenes Hybridflyergarn aus 50 % Thermoplast- und 50% Naturfaser hergestellt.

Hierzu wurden Flachs- und Polypropylen-Stapelfasern verwen­ det, wobei die Herstellung des Hybridflyergarns für Strecke und Flyer nach dem Baumwoll-Spinnverfahren mit modifizierter Krempel-Baumwolltechnologie erfolgte.

Zur Applizierung der fasermischungen wurden die Faserkompo­ nenten im mischbett abgelegt, auf einem öffner gemischt und anschließend einer Krempel zudosiert. Nachfolgend gelangte der so erzeugte Faserflor über einen flexibel zuschaltbaren Kannenstock in einer Spinnkanne zur Ablage, ehe über einen weiteren prozeßschritt eine Verformung zum Band mittels Preßwalzenpaar vorgenommen wurde. Mit Hilfe einer zusätzlich eingesetzten Baumwollstrecke wurde das Band weiterhin mehr­ fach doubliert und verzogen. Das so erzeugte Streckenband wurde abschließend über einen Einlaufrahmen einem Extra- Grobflyer mit integriertem 3-Walzenstreckwerk zugeführt, gedreht und zu einem Hybridflyergarn verstreckt.

Das derart gefertigte Hybridgarn konnte anschließend von einer Spulenhalterung mit Spule abgezogen und der am Extruder (2) befindlichen Ummantelungsdüse (6) zugeführt werden. In der beheizten Ummantelungsdüse (6) wurde der Polypropylenan­ teil des Hybridflyergarns aufgeschmolzen. Gleichzeitig wurde über den auf dem Sopport (5) der Filament-Winding-Anlage (1) applizierten Aufschmelzextruder (2) weiteres Polypropylen (ca. 20%) in Granulatform über einen Einfülltrichter (3) zugegeben, aufgeschmolzen und der Ummantelungsdüse (6) zuge­ führt. Hier erfolgte einerseits das Vermischen der beiden Polypropylenkomponenten (Faser/Granulat) und andererseits ein Mischen bzw. Umhüllen der Flachsfaser mit Polypropylenschmel­ ze.

Dieser Prozeß wurde durch die sich in Produktionsrichtung verjüngende Ummantelungsdüse (6) intensiviert, so daß die thermoplastisch imptägnierten Naturfasern über den Düsenaus­ gang auf den Wickelkern (4) abgelegt werden konnten. Durch das Einstellen der Faserwickel- und Supportgeschwindigkeit im Bereich von 2 bis 50 m/min konnten Wickelkörper mit vordefi­ niertem Muster hergestellt werden. Weiterhin konnte über den Durchsatz des Aufschmelzextruders (2) der Fasergehalt von 10 bis ca. 70 Masse-% der gewickelten Hohlkörper variiert wer­ den.

Anschließend wurden die im Pultrusionswickelverfahren herge­ stellten rohrförmigen Probekörper einer mechanischen prüfung im Druckversuch unterzogen. Die ermittelten Werte für die Druckspannung wurden mit Proben gleicher Ausgangswerkstoffe, Flachs als Verstärkungsfaser und Polypropylen als Matrix, die beim Raumtemperatur gewickelt und anschließend in einer presse konsolidiert wurden, verglichen. Diese Verfahrensvari­ ante in der Thermoplastwickeltechnik ermöglicht aufgrund der genauen Temperaturführung und der hohen aufbringbaren Kräfte optimale Verbundkonsolidierung. Der abschließend durchgeführ­ te Eigenschaftsvergleich des erfindungsgemäßen Pultrusions­ wickelverfahrens mit dem Faserwickeln bei Raumtemperatur mit nachfolgender Konsolidierung des Verbundes mittels Preßtech­ nologie zeigte keinen signifikanten Unterschied der Verbund­ eigenschaften im Druckversuch.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Rotations­ aber nicht notwendiger Weise rotationssymmetrischen Hohl­ körpern im Urformverfahren mit thermoplastischer Matrix in einer Pultrusionswickelanlage dadurch gekennzeichnet, daß die Faserimprägnierung über einen an eine Filament- Winding-Anlage (1) applizierten Aufschmelzextruder (2) mit nachgeschalteter Ummantelungsdüse (6) erfolgt, wobei die Verstärkungshalbzeuge der Ummantelungsdüse (6), die mit dem an die Filament-Winding-Anlage (1) applizierten Extruder (2) verbunden ist, zugeführt und mit dem über den Extruder (2) mit Einfülltrichter (3) aufgeschmolzenen Kunststoff umhüllt werden, daß durch eine Verjüngung der Ummantelungsdüse (6) in Produktionsrichtung das Verstär­ kungshalbzeug und der aufgeschmolzene Kunststoff vorkon­ solidiert werden und daß dann das derart thermoplastisch imprägnierte Verstärkungshalbzeug definiert auf dem ro­ tierenden Formkern (4) abgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß verschiedenartige Verstärkungssysteme in Band-, Tape-, Garn-, Flyer- und/oder Hybridflyergarn- sowie in Roving­ form oder in andersartiger textiler Aufmachungs- bzw. Halbzeugform, wie Gewebe oder Mattenhalbzeug, verwendet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß kontinuierliche und/oder diskontinuierliche fasermaterialien, wie z. B. Glas-, Kohlenstoff-, Aramid- oder Carbonfasern sowie z. B. Flachs-, Hanf-, Nessel-, Jute- und Sisalfasern, einzeln oder in Mischung verwendet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekenn­ zeichnet, daß über den Aufschmelzextruder (2) mit Ein­ fülltrichter (3) oder eine andere Aufschmelzeinheit ther­ moplastische Kunststoffe vorzugsweise in Granulatform zu­ geführt und aufgeschmolzen werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Zusammenführung von Schmelze und Ver­ stärkungshalbzeug die Ummantelungsdüse (6) an den Auf­ schmelzextruder (2) oder eine andere Aufschmelzeinheit adaptiert ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Aufschmelzextruder (2) oder die andere Aufschmelzeinheit mit adaptierter Ummantelungsdüse (6) auf dem Support (5) der Filament-Winding-Anlage (1) appliziert ist und über eine definierte Rotation des Wic­ kelkerns (4) sowie das Verfahren des Supports (5) ein vordefiniertes Wickelmuster erzeugt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das imprägnierte, vorkonsolidierte Halbzeug im schmelzeförmigen Zustand auf einem rotierenden positi­ ven oder negativen Wickelkern (4) abgelegt wird.