Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter

Kunststoffprofilteile

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine

Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffprofilteils, insbesondere eines Kunststoffprofilteils für ein Luft- oder Raumfahrzeug.

Obwohl auf faserverstärkte Kunststoffprofilteile mit beliebigen Profil formen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf die Herstellung von Kunststoffprofilteilen mit I- und T-Profil erläutert.

Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung solcher Kunststoffprofilteile, das auch als Pultrusion bezeichnet wird, wird ein Faserbündel mit einem wärmeaushärtbaren Harz imprägniert und durch eine beheizte Formgebungsdüse mit dem gewünschten Profil gezogen, wobei das Harz härtet. In auf diese Weise hergestellten Kunststoffprofilteilen verlaufen die Fasern im Wesentlichen in Längsrichtung der Kunststoffprofilteile, so bei entsprechender Belastung auftretende Torsions- oder SchälSpannungen einen Bruch des Harzes zwischen parallel verlaufenden Fasern verursachen können.

Bei der sogenannten Flechtpultrusion wird statt eines Bündels unidirektionaler Fasern ein Fasergeflecht verwendet, in dem die Fasern wendelartig mit einem Neigungswinkel zur Längs- richtung des Kunststoffprofilteils verlaufen und auf diese

Weise auch Torsions- und SchälSpannungen aufnehmen. Beim Einziehen eines solchen Fasergeflechts aus miteinander verkreuz-

ten Fasern in die Formgebungsdüse treten jedoch erhebliche Reibungskräfte auf, die die Fasern schädigen und zu Qualitätsmängeln führen können.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffprofilteile eine hohe Stabilität insbesondere gegenüber Torsions- und SchälSpannungen zu erreichen, und dabei eine Beschädigung der Fasern zuverlässig zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffprofilteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffprofil- teils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, die bei der Herstellung des Kunststoffprofilteils verwendeten Fasern in Form eines schlauchförmigen Geflechts zu- zuführen, in dem ein Matrixkunststoff verteilt angeordnet ist. Ein Längenabschnitt des zugeführten Fasergeflechts wird in einer heizbaren Presse eingeschlossen. Die Presse wird geheizt und erwärmt auf diese Weise den eingeschlossenen Längenabschnitt. Dies hat zur Folge, dass der Matrixkunststoff erweicht (falls dieser in fester Form vorliegt) und infolge des von der Presse aufgebauten Drucks die Zwischenräume zwischen den Fasern ausfüllt. Im Falle eines duroplastischen Harzes härtet der Matrixkunststoff unter dem Einfluss des Heizens der Presse aus.

Die Presse wird sodann geöffnet, so dass diese den Längenabschnitt des Fasergeflechts nicht mehr einschließt und keine Presswirkung mehr auf diesen ausübt. Das Fasergeflecht wird soweit durch die geöffnete Presse gezogen, bis ein weiterer Längenabschnitt des Fasergeflechts in der Presse angeordnet ist. Die Presse schließt nunmehr diesen weiteren Längenabschnitt ein, so dass nun der Matrixkunststoff im weiteren

Längenabschnitt unter dem Einfluss der beheizten Presse zwischen den Fasern verteilt bzw. ausgehärtet wird.

Auf diese Weise wird das Fasergeflecht sowohl im Bereich des erstgenannten Längenabschnitts als auch im weiteren Längenabschnitt in der Kunststoffmatrix eingebettet, so dass in beiden Längenabschnitten entsprechende Abschnitte eines faserverstärkten Kunststoffprofilteils entstehen. Dies ermöglicht, ein Kunststoffprofilteil von prinzipiell unbegrenzter Länge herzustellen, indem man die Schritte des Einschließens des Fasergeflechts in der Presse, des öffnens der Presse und des Ziehens des Fasergeflechts zyklisch wiederholt und dabei das Fasergeflecht jeweils um eine Strecke durch die geöffnete Presse zieht, die nicht größer als der jeweils in der Presse eingeschlossene Längenabschnitt ist.

Da die Fasern in Form eines schlauchförmigen Fasergeflechts zugeführt werden, verläuft im fertigen Kunststoffprofilteil zumindest ein Teil der Fasern in einem Neigungswinkel um den Umfang des Kunststoffprofilteils, hat also einen Richtungsanteil in Umfangsrichtung. Daher weisen die so hergestellten Kunststoffprofilteile eine besonders hohe Stabilität auf. Da das Fasergeflecht durch die Presse gezogen wird, wenn diese geöffnet ist, sind beim Ziehen keine oder nur sehr geringe Reibungskräfte zu überwinden, was ermöglicht, Beschädigungen der Fasern effektiv zu vermeiden. Weiterhin wird ermöglicht, die Zugspannung auf einen definierten, niedrigen Wert festzusetzen, so dass auch Fasergeflechte verarbeitet werden können, bei denen Fasern unter einem großen Winkel zur Längen- richtung der Schlauchform des Geflechts verlaufen, ohne dass das Geflecht durch große Zugspannungen verzerrt oder in die Länge gezogen würde.

Da das Fasergeflecht ohne aufwändige manuelle Tätigkeiten hergestellt werden kann, ist das gesamte Verfahren besonders leicht zu automatisieren.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Zuführen des schlauchförmigen Fasergeflechts einen Schritt des Flech- tens des Fasergeflechts aus einer Vielzahl von Faserfäden. Das Vorschalten des Flechtvorgangs ermöglicht, Kunststof fpro- file nach Bedarf kontinuierlich herzustellen, ohne dass eine Vorratshaltung vorgefertigter Fasergeflechte notwendig ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Zuführen des schlauchförmigen Fasergeflechts einen Schritt des Abwi- ekeln des Fasergeflechts von einer bereitgestellten Vorratsspule. Dies hat den Vorteil, dass eine separate Flechteinrichtung nicht notwendig ist, was z.B. ermöglicht, das Fasergeflecht von einem Zulieferunternehmen vorfertigen zu lassen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung presst die Presse den Längenabschnitt beim Einschließen entsprechend einem Zielprofil des Kunststoffprofilteils . Dabei ist weiterhin ein Verfahrensschritt des allmählichen Umformens des schlauchförmigen Fasergeflechts in das Zielprofil durch eine Vielzahl von Umformrollen vorgesehen. Auf diese Weise lassen sich vielfältige Profilformen auf Grundlage des ursprünglich schlauchförmigen Fasergeflechts herstellen, ohne das große Reibungskräfte auftreten oder Beschädigungen von Fasern zu erwarten sind.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird das schlauchförmige Fasergeflecht beim Umformen flachgedrückt. Dies ermöglicht vorteilhaft die Herstellung von Kunststoffprofilteilen mit Vollprofil, d.h. ohne eingeschlossenen Hohlraum.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird eine Vielzahl von schlauchförmigen Fasergelegen zugeführt und im Längenabschnitt gemeinsam von der Presse eingeschlossen. Auf diese Weise wird eine noch größere Vielfalt an Profilformen wie ermöglicht z.B. mehrfach verzweigte Profilformen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der Matrixkunststoff im schlauchförmigen Fasergeflecht durch Einflechten

thermoplastischer Fasern verteilt angeordnet. Auf diese Weise erfolgt das Verteilen des Matrixkunststoffs automatisch mit dem Flechtvorgang, so dass ein separater Schritt entfällt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der Matrixkunststoff im schlauchförmigen Fasergeflecht durch Einlegen eines Harzfilms in den Schlauch angeordnet. Der Matrixkunststoff ist im inneren des Schlauchs sicher gehalten und durch die flächenhafte Ausdehnung des Films gleichmäßig verteilt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der Matrixkunststoff im schlauchförmigen Fasergeflecht durch Benetzen des Fasergeflechts mit einem flüssigen oder pulverförmigen Harz angeordnet. Dies ermöglicht eine in drei Dimensionen gleich- mäßige Verteilung des Matrixkunststoffs .

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird das schlauchförmige Fasergeflecht als Prepreg zugeführt. Auf diese Weise kann das Fasergeflecht mit darin verteiltem Matrixkunststoff ge~ trennt vorproduziert und nach Bedarf den weiteren Verfahrensschritten zugeführt werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der Längenabschnitt in der Presse teilweise ausgehärtet. Dies ermöglicht, den Matrixkunststoff abschließend auf eine andere Weise in einem Bereich auszuhärten, der sich nicht auf den Längenabschnitt beschränkt, so dass ein Kunststoffprofilteil wesentlich ohne übergänge zwischen benachbarten Längenabschnitten hergestellt werden kann. Vorzugsweise wird der Längenab- schnitt zu etwa 70% teilausgehärtet, so dass die Profilform nach dem Verlassen der Presse stabil bleibt. Vorzugsweise ist ein weiterer Verfahrensschritt des vollständigen Aushärtens des Längenabschnitts nach dem Ziehen durch die Presse vorgesehen, so dass das Kunststoffprofilteil möglichst bald voll- ständig stabilisiert wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin ein Verfahrensschritt des Entgratens des Kunststoffprofilteils vorgesehen. Dies ermöglicht, die Grenzen zwischen benachbarten Längenabschnitten ohne äußere Grate übergangslos zu fertigen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin ein Verfahrensschritt des wesentlich longitudinalen Zerschneidens des Kunststoffprofilteils zur Bildung weiterer Kunststoffprofilteile vorgesehen. Dies ermöglicht die Herstellung von Kunststoffprofilteilen mit über ihre Länge veränderlichen Profilquerschnitten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Vor- richtung zur Herstellung eines faserverstärkten

Kunststoffprofils gemäß einer Aus führungs form der Erfindung;

Fig. 2A-F Querschnittsansichten verschiedener Umformsta- dien eines schlauchförmigen Fasergeflechts bei einem Herstellungsverfahren gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 3A-B Querschnittsansichten zweier Umformstadien bei einem Herstellungsverfahren gemäß einer weiteren

Aus führungsform,-

Fig. 4A-B Querschnittsansichten einer Presse bei der Ausführung eines Herstellungsverfahrens .gemäß einer Aus führungsform;

Fig. 5A-B eine Profil- und eine Seitenansicht eines faser-

verstärkten Kunststoffprofilteils gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 5C-D eine Profil- und eine Seitenansicht des Kunst- Stoffprofilteils aus Fig. 5A-B nach Ausführung eines Schnitts gemäß einer Aus führungs form des Herstellungsverfahrens; und

Fig. 5E eine Seitenansicht eines weiteren faserverstärk- ten Kunststoffprofilteils gemäß einer Ausführungsform.

in den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteili- ges angegeben ist.

Figur 1 zeigt in schematischer Perspektivansicht eine Vorrichtung 100 zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffprofilen 102, 103, 103' . Die Vorrichtung 100 umfasst eine erste 112 und eine zweite 112 ' Flechteinrichtung zum Flechten je eines schlauchförmigen Fasergeflechts 104, 104' aus einer jeweiligen Vielzahl von Faserfäden 114, 114' . Ein Harzfilmleger 116 führt der ersten Flechteinrichtung 112 von einer Endlosrolle 117 einen streifenförmigen Film 106 aus einem unaus- gehärteten Harz 106 zu, so dass dieser im Inneren des schlauchförmigen Geflechts 104 zu liegen kommt.

Die im Betrieb der Vorrichtung von der ersten 112 und zweiten 112' Flechteinrichtung geflochtenen Fasergeflechte 104, 104' laufen an einem System von Umformrollen 118 zusammen, die jedes der Fasergeflechte 104, 104' zunächst plätten und dann beide Fasergeflechte 104, 104' kontinuierlich in eine gemeinsam gebildete I-Profilform 200 umformen, die dem Zielprofil 200 eines herzustellenden Kunststoffprofilteils 102 ent- spricht. Rein beispielhaft sind vier Umformrollen 118 gezeigt.

Auf der den Flechteinrichtungen 112 abgewandten Seite der Um- formrollen 118 ist eine beheizbare Presse 108 angeordnet, die durch eine Steuervorrichtung 126 intermittierend geöffnet und geschlossen werden kann. In geschlossenem Zustand verbleibt im Inneren der Presse 108 ein zu beiden Enden hin offener Hohlraum der Länge L mit dem I-förmigen Zielprofil 200 des herzustellenden Kunststoffprofilteils 102. Im geöffneten Zustand ist der Hohlraum der Länge L weiter als das Zielprofil 200, so dass ein Gegenstand mit dem Zielprofil 200 ohne Rei- bung durch die Presse bewegt werden kann.

An der den Umfornαrollen 118 abgewandten Seite der Presse 108 ist der Eingang eines Tunnelofens 120 zum vollständigen Aushärten der herzustellenden Kunststoffprofilteile 102, 103, 103' angeordnet. An den Ausgang des Tunnelofens 120 schließt sich eine Entgrateinrichtung 122 an. Die Umformrollen 118, die Presse 108, der Tunnelofen 120 und die Entgrateinrichtung 122 sind in der beschriebenen Weise linear hintereinander angeordnet und bilden insgesamt eine Fertigungsstrecke 118, 108, 120, 122, entlang derer im Betrieb der Vorrichtung 100 die Fasergeflechte 104, 104' in das zu fertigende Kunststoffprofilteil verarbeitet werden.

An der dem Tunnelofen 120 abgewandten Seite der Entgratein- richtung ist eine Zieheinrichtung 110 zum Ziehen der Fasergeflechte 104, 104' bzw. des aus ihnen hervorgehenden Kunststoffprofil teils 102 entlang der Fertigungsstrecke 118, 108, 120, 122 angeordnet, welche zur Ansteuerung mit der Steuervorrichtung 126 verbunden ist. An der der Entgrateinrichtung 122 abgewandten Seite der Zieheinrichtung 110 ist eine

Schneideeinrichtung 124 zum Ablängen des herzustellenden Kunststoffprofilteils 102 und ggf. weiterer Verarbeitung in weitere Kunststoffprofilteile 103, 103' angeordnet.

im Betrieb der Vorrichtung 100 steuert die Steuervorrichtung 126 die beheizte Presse 108 und die Zieheinrichtung 122 in koordinierter Weise zyklisch an. Innerhalb eines Zyklus wird

die Presse 108 zunächst geschlossen, um einen Längenabschnitt L der von den Umformrollen 118 in die Zielform 200 gebrachten Fasergeflechte 104, 104' einzuschließen. Dies hat zur Folge, dass der enthaltene Harzfilm 106 erweicht, infolge des von der Presse aufgebauten Drucks die Zwischenräume zwischen den Fasern ausfüllt und unter dem weiteren Einfluss der Heizwärme teilweise aushärtet. Noch bevor das Harz 106 vollständig ausgehärtet ist, wird die Presse 108 geöffnet. Nun steuert die Steuervorrichtung 126 die Zieheinrichtung 110 so an, dass diese das Kunststoffprofilteil 102 bzw. die in diesem enthaltenen Fasergeflechte 104, 104' um eine Strecke der Länge L entlang der Fertigungsstrecke 118, 108, 120, 122, 110 zieht. Anschließend beginnt der Zyklus von neuem, wobei nunmehr ein neuer Längenabschnitt L' in der Presse 108 eingeschlossen wird, der dem im vorhergehenden Zyklus eingeschlossenen Abschnitt L benachbart ist. Im Tunnelofen 120 wird durchgängig eine Temperaturverteilung aufrechterhalten, die bewirkt, dass die in der Presse 108 erst teilweise ausgehärteten, laufend aufeinanderfolgenden Abschnitte L, L ¹ vollständig ausgehärtet werden. Eventuelle Grate zwischen den Abschnitten L, L' werden von der Entgrateinrichtung 122 entfernt.

Figur 2A bis 2F zeigen Querschnittsansichten verschiedener Umformstadien zweier schlauchförmiger Fasergeflechte, z.B. mittels der Umformrollen 118 der Vorrichtung 100 aus Fig. 1. Fig. IA zeigt die Schlauchgeflechte 104, 104' in ihrer zylindrischen Ausgangsform, in der sie von den Flechteinrichtungen geflochten werden. Fig. 2B zeigt die Geflechte in einer ellipsenartig abgeflachten Profilform, wobei ein Harzfilm 106 in eines der Geflechte 104 eingelegt wurde. In Fig. 2C sind beide Geflechte 104, 104 vollständig flach gefaltet und parallel zueinander angeordnet worden. Fig. 2D-F zeigen die graduelle Umformung der Fasergeflechte 104, 104, die sich nunmehr berühren, in ein gemeinsames, I-förmiges Zielprofil 200.

Figur 3A und 3B zeigen Querschnittsansichten zweier Umform-

Stadien für einen alternativen Umformvorgang, bei dem ein einzelnes schlauchförmiges Geflecht 104 über entsprechende Umformrollen in ein beispielhaft ebenfalls I-förmiges Zielprofil 200 umgeformt wird.

Figur 4A und 4B zeigt Querschnittsansichten einer Presse, z.B. der in Fig. 1 gezeigten Presse 108 in unterschiedlichen Stadien des Herstellungszyklus. Fig. 4A zeigt die Presse in einem Zustand nach dem Schließen 402 der Presse, in dem sie den im eingeschlossenen Fasergeflecht 104 verteilten Matrix- kunststoff teilweise aushärtet. In den einzelnen Segmenten der Presse sind Heizdrähte 400 angeordnet. Fig. 4B zeigt dieselbe Presse nach dem öffnen 404.

Figur 5A und 5B zeigen eine Profil- bzw. eine Seitenansicht eines faserverstärkten Kunststoffprofilteils 102, z.B. eines mit der Vorrichtung 100 aus Fig. 1 nach dem dort beschriebenen Verfahren hergestellten Kunststoffprofilteils 102, das auf eine benötigte Gesamtlänge 502 abgelängt wurde.

Figur 5C und 5D zeigen eine Profil- bzw. eine Seitenansicht des Kunststoffprofilteils 102 aus Fig. 5A und 5B, das zur Herstellung weiterer, T-förmiger Kunststoffprofilteile 103, 103 ' mit einem über die Gesamtlänge 502 verlaufenden, leicht geneigten Longitudinalschnitt längs zerteilt wurde. Fig. 5E zeigt eines der Kunststoffprofilteile 103 aus Fig. 5C und 5D, dessen Form durch Abtrennen eines Abfallstücks 500 weiter verändert wurde, z.B. um es für die Verwendung in einem Luftoder Raumfahrzeug geeignet zu machen.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh- rungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar .

Beispielsweise können statt eines duroplastischen Harzes thermoplastische Matrixkunststoffe verwendet werden, insbe-

sondere wenn die Presse mit einer Kühleinrichtung zum Abkühlen der Thermoplaste ausgerüstet wird. Geflechte mit zusätzlichen longitudinalen Fasern können ebenso verwendet werden. Profile können aus ineinandergreifenden, gemeinsam geflochte- nen Schlauchgeflechten geformt werden.

B e z u g s z e i c h e n l i s t e

100 Herstellungsvorrichtung

102 Kunststoffprofilteil 103, 103' Modifiziertes Kunststoffprofilteil

104 Fasergeflecht

106 Matrixkunststoff

108 Presse

110 Zieheinrichtung 112, 112' Flechteinrichtung 114, 114' Faserfäden

116 Harzfilmleger

117 Harzfilmrolle

118 Umformrollen 120 Nachaushärteofen

122 Entgrateinrichtung

124 Schneideeinrichtung

126 Steuervorrichtung

200 Zielprofil 400 Heizeinrichtung

402 Schließen der Presse

404 öffnen der Presse

500 Abfallstück

502 Gesamtlänge 504 Longitudinalschnitt