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Verfahren zum Herstellen von Profilen aus faserverstärktem, härtbarem
Kunstharz Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Profilen beliebiger,
insbesondere offener Querschnittsform aus faserverstärktem, härtbarem Kunstharz,
bei denen kunstharzgetränkte Faserstränge oder Gewebebänder mit einem thermoplastischen
Kunststoff umhüllt und verformt werden und das Kunstharz ausgehärtet wird.
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Es sind bereits Verfahren bekannt, bei welchen die aus Glasseidensträngen
bestehenden Faserverstärkungen durch eine mit einem ungesättigten Polyesterharz
gefüllte Wanne gezogen werden und in einem auf die Härtetemperatur gebrachten Profilrohr
die Aushärtung bzw. Polymerisation des Kunstharzes vorgenommen wird. Auch ist eine
Methode bekannt, bei der in einem taktweisen Arbeitsverfahren die Aushärtung in
ähnlicher Weise erfolgt und der Strang bzw. das fertige Profil stückweise abgezogen
wird. Meist sind hinter der ersten, aus dem geschilderten Profilrohr bestehenden
Härtezone mehrere andere dahintergeschaltet, durch welche der Strang geführt und
zur vollkommenen Aushärtung gebracht wird.
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Bei diesen Arbeitsweisen ist es allerdings nur möglich, gerade Profile
herzustellen, da die Aushärtung unter erheblicher Zugspannung erfolgt, die Fertigung
eines gekrümmten Profils ist also ausgeschlossen. Ferner haben diese beschriebenen
Verfahren den Nachteil, daß das erforderliche Profilrohr bei komplizierten Querschnittsformen
nur schwierig herzustellen ist und außerdem in diesem Rohr hohe Reibungskräfte auftreten,
die eine starke Beanspruchung der Abzugsvorrichtung zur Folge haben und nicht selten
zum Abreißen des Stranges im Profilrohr führen, wodurch diese unbrauchbar werden.
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Ein weiteres Verfahren schlägt vor, harzgetränkte Faserstränge in
eine schlauchförmige Umhüllung aus einem thermoplastischen Kunststoff einzuziehen,
zu verformen und sodann auszuhärten. So ist es z. B. möglich, bei Umwickeln eines
Rundstabes Spiralfedern oder andere Formkörper herzustellen. Von Nachteil ist es
bei diesen Verfahren, daß die Anwendung nur manuell und nur in sehr begrenzten Längenabschnitten
möglich ist. Außerdem muß die schlauchförmige Umhüllung eine relativ große Dicke
aufweisen, um die harzgetränkten Fasern einziehen zu können, und steht damit einer
Verformung zu dünnwandigen Profilen entgegen, zumal ferner eine kontinuierliche
Fertigung nicht möglich ist.
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Bekannt ist auch ein Verfahren, bei dem der harzgetränkte Faserstrang
mit einer thermoplastisehen Folienbahn umgeben wird, die infolge ihrer Wirkung als
Schrumpfschlauch eine Verdichtung des Harz-Faser-Gemisches hervorruft. Luftkammern,
Druckkissen, Rollenpaare u. dgl. unterstützen diese Wirkungsweise. In Abwandlung
des Verfahrens kann die thermoplastische Ummantelung auch aus der Lösung oder Schmelze
erfolgen.
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Bei diesen vorbeschriebenen Verfahren ist eine kontinuierliche Fertigung
vorgesehen, d. h., unmittelbar hinter der Ummantelung erfolgt während des Durchlaufens
mehrerer Heizkammern die Aushärtung. Man kann mit dieser . Methode Rohre, Stäbe
und auch dickwandige Profile herstellen. Die Anwendung des Verfahrens auf die Fertigung
von geraden oder gebogenen Profilen beliebigen Querschnitts, z. B. U-, T-, Doppel-T-Profil
usw., ist nur bedingt möglich. Gerade diese Querschnittsformen ergeben jedoch bei
entsprechender Dünnwandigkeit in Verbindung mit den hervorragenden Festigkeitseigenschaften
faserverstärkter Kunstharze sehr interessante Bauelemente.
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Ferner ist bereits bekannt, kunstharzgetränkte Faser- oder Gewebestränge
durch Rollen oder Walzen kontinuierlich zu Profilen zu verformen und während dieser
Verformung auszuhärten. Hierzu werden in der Regel mitlaufende und ein Zusammenkleben
verhindernde Folienbahnen zwischen Verformungswalzen und Strang eingeleitet, die
nach dem Aushärten wieder beseitigt werden.
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Mit diesem Verfahren ist zwar eine kontinuierliche Herstellung von
verschiedenen Profilen möglich, nachteilig ist, daß die Verformung und Aushärtung
unmittelbar im Anschluß an die Tränkung der Gewebe- und Faserstränge und die Bedeckung
mit den Folienbahnen erfolgen muß und damit die Tränk-, Verformungs- und Härtegeschwindigkeiten
genau aufeinander abgestimmt sein müssen. Optimale Bedingungen jedes einzelnen dieser
Verfahrensschritte sind dabei nicht zu erreichen. Außerdem ist ein allseitiges
Umhüllen
der harzgetränkten Faserstränge nur bedingt möglich und von den herzustellenden
Profilen abhängig.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, diese Nachteile und bisher
bestehende Verfahrensmängel zu beseitigen und darüber hinaus weitere Qualitätsverbesserungen
an faserverstärkten Kunstharzartikeln aufzuzeigen sowie die Möglichkeit zu beschreiten,
auch gebogene oder beliebig gekrümmte Profilteile herzustellen.
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Hierzu werden gemäß der Erfindung kunstharzgetränkte Faserstränge
oder Gewebebänder im Spritzkopf eines Extruders kontinuierlich mit der Schmelze
eines thermovlastischen Kunststoffes umhüllt, wobei der Schmelzpunkt äes t@ermoplasftscheri
Kunststoffes über der beim Härten des Kunstharzes auftretenden Temperaturspitze
liegt und das Aktivierungssystem des Kunstharzes derart eingestellt ist, daß durch
die im Extruderkopf herrschenden Temperatur- und Wärmebedingungen die Härtung des
Kunstharzes nicht eingeleitet werden kann, daß dann der so gebildete Strang unter
die Erstarrungstemperatur des thermoplastischen Kunststoffes abgekühlt und in an
sich bekannter Weise unter Aushärten des Kunstharzes kontinuierlich in die endgültige
Profilform gebracht wird.
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Besonders entscheidend ist hierbei, daß die umhüllten Stränge als
Halbzeug für eine spätere Verarbeitung zwischengelagert werden können. In der Möglichkeit,
die Verformung und Aushärtung zeitlich unabhängig von der Herstellung des Halbzeuges
vornehmen zu können, liegt ein großer Vorteil. Man hat es nunmehr in der Hand, die
einzelnen Arbeitsgeschwindigkeiten auf die optimalen Gegebenheiten des Verfahrens
abzustimmen und kann aus einem Halbzeugquerschnitt nacheinander mehrere beliebige
Profilformen herstellen, ohne den Lauf des Stranges bei der Umhüllung unterbrechen
zu müssen.
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Als Verstärkungsmittel können z. B. Gewebebänder aus Glasfaser verwendet
werden, die über eine allseitige Festigkeit verfügen, oder es werden Glasseidenstränge
eingesetzt, die einzeln oder in mehreren Gruppen durch eine beispielsweise mit ungesättigten
Polyesterharz gefüllte Wanne geführt werden. Durch geeignete Mittel, wie Rollen,
Ösen od. dgl., ist Sorge getragen, daß die in den Glasfasern haftenden Luftbläschen
entweichen können und eine vollständige Tränkung der Stränge erfolgt. Das überschüssige
Harz kann nunmehr am Ende der Wanne durch Abquetschwalzen od. dgl. beseitigt werden.
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Als Material für die Umhüllung wird zweckmäßigerweise ein Thermoplast
mit relativ hohem Schmelzpunkt verwendet, welcher über der Aushärtungstemperatur
des Kunstharzes liegt, damit der dünne Mantel während der Aushärtung nicht in Mitleidenschaft
gezogen wird. Außerdem ist Dehnbarkeit, Flexibilität und ein nicht zu enger Schmelzbereich
erforderlich. Diese Anforderungen erfüllt z. B. ein 6'-Polyamid oder auch Polyolefine
hoher i Dichte.
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Beim Austritt des thermoplastischen Kunststoffes aus dem Extruderspritzkopf
erfolgt ferner eine durch Abzugsgeschwindigkeit und Förderleistung des Extruders
bestimmte Streckung der Umhüllung, die ein festes Anliegen an die Faserstränge und
eine Verringerung der Wanddicke der Umhüllung in vorteilhafter Weise zur Folge hat.
Da bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise keine großen Reibungskräfte auftreten,
hat man die Möglichkeit, durch entsprechende Ausgestaltung der Rollen oder Düsen,
welche das Abquetschen des überschüssigen Harzes vor der Ummantelung besorgen, einen
relativ hohen Glasfasergehalt des Stranges zu erreichen und damit die Festigkeitseigenschaften
des fertigen Erzeugnisses zu steigern, ohne die erforderlichen Abzugskräfte übermäßig
zu erhöhen.
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Bei diesem geschilderten ersten Verfahrensabschnitt ist es wesentlich,
daß das Harz so eingestellt ist, daß die kurzzeitige Erwärmung des Stranges im Spritzkopf
des Extruders und des nach-@o@gen@2n @urrei#4A kh@ @.1@@@@111@@ h %1 den Strang
aufgebrachten Thermoplasten eine Aushärtung des Harzes unterbleibt.
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Im zweiten Verfahrensabschnitt wird nunmehr bei Weiterverarbeitung
des Halbzeuges der noch nicht ausgehärtete Strang durch eine oder mehrere Heizkammern
geführt, in denen er erwärmt wird, wobei die Viskosität des Kunstharzes herabgesetzt
und auch eine allmähliche Erweichung des thermoplastischen Materials erreicht wird.
Bereits während oder unmittelbar nach der Erwärmung erfolgt durch Walzen eine schrittweise
Verformung des Querschnitts, und in weiteren Heizkammern, die der Strang mit regelbarer
Geschwindigkeit durchläuft, erfolgt nach endgültiger Formgebung schließlich die
Aushärtung des Kunstharzes.
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Beispielsweise kann ein bandförmiger Strang durch Walzen weiter verflacht
und wesentlich dünner ausgewalzt werden, wobei der thermoplastische Mantel durch
entsprechende Einstellung der Walzenachse zur Durchzugsrichtun, auch in Querrichtung
gedehnt und der spezifische Glasfasergehalt noch erhöht wird. Das so gewonnene Flachband
kann leicht durch Umlegen der Langseiten mittels weiterer Rollen oder Walzen z.
B. zu einem beliebig-schenkeligen U-Profil verformt werden. Dabei braucht sich das
hergestellte Profil keinesfalls in gleichbleibender Form über die gesamte Länge
zu erstrecken, vielmehr sind abschnittsweise beliebige Querschnittsveränderungen
möglich. Die beiden Parallelschenkel eines U-Profils können z. B. auf einem beliebig
langen Stück zusammengedrückt oder anderweitig verformt werden. Man hat es durch
das erfindungsgemäße Verfahren völlig in der Hand, die herzustellende Profilform
dem vorgesehenen Verwendungszweck anzupassen. Die Fertigung von T-, Doppel-T-, Kreuz-,
Halbrund- oder beliebigen Profilformen erfolgt sinngemäß.
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Sollen gebogene Profilstäbe hergestellt werden, so darf die Erwärmung
während der Querschnittsformgebung nur beschränkt erfolgen, damit eine vorzeitige
Aushärtung vermieden wird. Nach Erreichen des verlangten Profilquerschnitts wird
der ummantelte Strang auf Schablonen, Rahmen od. dgl. in die endgültige Form gebracht
und sodann in Wärmekammern oder mit ähnlichen Mitteln ausgehärtet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet auch in vorteilhafter Weise
die Möglichkeit, Federelemente beliebiger Formgebung herzustellen. Durch Aufwickeln
eines Rundprofils auf eine zylindrische Schablone lassen sich z. B. Schraubenfedern
beliebiger Steigung herstellen. Bei gebündelten Blattfederpaketen ist besonders
die Umhüllung von Vorteil, weil durch die auftretende Reibung zwischen
den
einzelnen Blättern nicht der faserverstärkte Kern in Mitleidenschaft gezogen wird.
Der thermoplastische Mantel muß bei Federelementen jedoch so dünn wie möglich gehalten
werden, um keine zu starken Dämpfungserscheinungen hervorzurufen. In der beschriebenen
Weise gefertigte Federn besitzen ein geringes Gewicht und sind antimagnetisch, korrosionsbeständig
und von hoher Lebensdauer.
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Bauteile aus mit parallel liegenden Glasfasersträngen verstärkten
Kunstharzen zeigen bekanntlich hervorragende mechanische Werte und ein sehr hohes
Arbeitsaufnahmevermögen. Werden als Verstärkungsmaterial ausschließlich in Stranglängsrichtung
verlaufende Glasfasern verwendet, so läßt sich eine etwaige zu geringe Scherfestigkeit
in Längsrichtung und die Gefahr des Aufsplitterns des Profilstabes bei starker Biegebeanspruchung
gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens in der Weise verhindern,
daß die Faserstränge vor der Ummantelung gleichzeitig, aber getrennt voneinander
durch ein Kunstharztränkbad geführt und nach dem Verlassen desselben kurze Faserstückchen,
insbesondere quer zur Laufrichtung der Stränge, auf diese aufgebracht werden und
hiernach die Vereinigung zu einem gemeinsamen Strang erfolgt, welcher durch Walzen
oder Profildüsen in eine Querschnittsform gebracht wird, die der Profilform des
Spritzkopfes des Extruders entspricht. Zweckmäßigerweise werden die Faserstückchen
auf die durch das Trärikbad gezogenen Faserstränge in einer geschlossenen Kammer
mittels eines oder mehrerer, gegebenenfalls sich kreuzender Luftströme aufgebracht.
Der gemeinsame Strang, der durch Walzenpaare oder Profildüsen vorgeformt wird, kann
vor Eintritt in den Extruderspritzkopf wahlweise nochmals mit Faserstückchen versehen
werden, die in willkürlicher Lage an der Strangoberfläche festkleben. In diesem
Zustand erfolgt dann die endgültige Korrektur der Querschnittsform, um den Strang
dem Profil des Extruderspritzkopfes anzupassen.
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Dadurch, daß die kurzen Faserstückchen auf die einzelnen Faserstränge
in willkürlicher, insbesondere aber in Querlage aufgebracht werden, erreicht man,
daß mit dieser zusätzlichen Verstärkung nach der Vereinigung zu einem Strang im
Inneren desselben eine erhebliche Steigerung der Querfestigkeit eintritt und speziell
bei -dünnwandigen Profilen ein Aufsplittern bei starker Belastung vermieden wird.
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Die Zeichnungen sollen in schematischer Darstellung das Verfahren
weiter erläutern. Es bedeutet F i g. 1 eine Draufsicht der Anlage des ersten Verfahrensabschnitts,
F i g. 2 eine Seitenansicht der Anlage nach F i g. 1, F i g. 3 eine Seitenansicht
des zweiten Verfahrensabschnitts, F i g. 4 ein Schnitt nach Linie A -A der
F i g. 2. Die Glasfaserstränge 1 werden durch eine mit härtbarem Kunstharz gefüllte
Wanne 2 geleitet, wobei eine kammartig oder mit Ösen versehene Fachvorrichtung 3
für ein gleichmäßiges Einlaufen der Stränge sorgt. Die einzeln oder in mehreren
Gruppen durch das Harzbad gezogenen Stränge werden durch Düsen 4 geführt, mittels
derer das überschüssige Harz beseitigt wird. In der dahinter geschalteten Kammer
5 erfolgt das Aufbringen von kurzen Glasfaserstückchen, beispielsweise mittels eines
Luftstromes, der mit Glasfaserabschnitten variabler Länge und beliebiger Menge versehen
aus mehreren Richtungen durch Schläuche oder Rohre 6 in die Kammer geführt werden
kann. Ein Walzenpaar 7 vereinigt die einzelnen Teilstränge zu einem gemeinsamen
Strang, auf dem in einer weiteren Kammer 8 erneut Faserstückchen aufgebracht werden
können. Eine Profildüse 9 formt nun den Strang in der Weise, daß dessen vollständige
Umhüllung mit einem thermoplastischen Kunststoff im Querspritzkopf 10 des Extruders
erfolgen kann. Verflüssigungsleistung bzw. Fördermenge des Extruders ünd Abzugsgeschwindigkeit
des Stranges können so aufeinander abgestimmt sein, daß eine erhebliche Verstreckung
des thermoplastischen Mantels und damit eine Verringerung der Dicke desselben und
ein festes Anliegen an die Faserstränge erreicht wird. Das Kühlbad 11 bewirkt eine
rasche Abkühlung des umhüllten Stranges, und eine regelbare Abzugsvorrichtung 12
sorgt für den Abzug in an sich bekannter Weise.
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Das auf diese Art gewonnene strangförmige Halbzeug kann entweder sofort
im zweiten Verfahrensabschnitt weiterverarbeitet werden, oder es wird auf Haspeln
13 aufgewickelt, um einer späteren Weiterverarbeitung zugeführt zu werden.
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Im zweiten Verfahrensabschnitt wird der Strang in Heizkammern 14 erwärmt,
um die Viskosität des Harzes herabzusetzen und um gleichzeitig den thermoplastischen
Mantel zu erweichen und flexibler zu machen. Die Walzenpaare 17, 18 verändern nunmehr
das Querschnittsprofil in der gewünschten Weise, und in weiteren Heizkammern 15
und 16 erfolgt die vollständige Aushärtung des so erhaltenen Profils. Die Anzahl
der Heizkammern und die Länge der gesamten Verarbeitungsstrecke ist von der Aktivierung
des Harzes und der gewünschten Durchlaufgeschwindigkeit abhängig. Eine Abzugsvorrichtung
19 sorgt für eine konstante Ablaufgeschwindigkeit, und mittels einer Trennscheibe
20 können die Profile auf beliebige Längen geschnitten werden.
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Bei der Verfahrensanwendung zur Herstellung von in Längsrichtung gekrümmten
bzw. beliebig geformten Profilstäben sind Heizkammern und Walzenpaare nur so weit
vorgesehen, wie es eine Verformung zum endgültigen Querschnittsprofil erforderlich
macht. Das Aufbringen der geformten Profilstäbe auf Schablonen, Rahmen od. dgl.
und die nachfolgende Aushärtung in Heizkammern erfolgt in bekannter Weise und ist
in der Darstellung nicht aufgezeigt. Eine vollständige Aushärtung durch längeres
Tempern auf 100 bis 120° C ist ohne weiteres möglich, da die gewählte thermoplastische
Ummantelung dieser Temperatur standhält.
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Die Umhüllung des glasfaserverstärkten Kunstharzstranges mit einem
Thermoplast nach dem oben beschriebenen Verfahren hat den großen Vorteil, daß bei
der Wahl des Aushärtungssystems keinerlei Rücksicht auf eine auftretende Farbveränderung
zu werden braucht, da der thermoplastische Mantel unter Erhaltung der Festigkeitswerte
des Harzes beliebig eingefärbt werden kann. Als weitere Vorteile der auf den Profilen
verbleibenden Ummantelung sind der Schutz des Stranges gegen Abrieb und mezhanische
Beschädigung sowie Feuchtigkeit und der Schutz gegen- kurzzeitige Wärmeeinstrahlung
anzuführen. Außerdem war bisher eine völlig glatte Oberdäche bei Profilen oder Stäben
mit relativ hohem Glasfaseranteil ohne zusätzlichen Finish nicht zu erreichen, und
bei Teilen, die z. B. mit den Händen ständig angefaßt werden, stören austretende
Glasfasern
ganz erheblich. Auch dieser Mangel wird durch das beschriebene
Verfahren beseitigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet darüber hinaus die Möglichkeit,
dünnwandige Profile beliebigen Querschnitts und beliebiger Formgebung aus glasfaserverstärktem
Kunstharz rationell herzustellen und sich der hervorragenden Eigenschaften dieser
Materialkombination auch auf diesem Gebiet zu bedienen.