DE69005237T2

DE69005237T2 - Extrudiervorrichtung und Verfahren zum Mischen von Fasern und thermoplastischen Kunststoffen.

Info

Publication number: DE69005237T2
Application number: DE69005237T
Authority: DE
Inventors: Ronald Clare Winona Minnesota 55987 Hawley
Original assignee: Composite Products Inc
Current assignee: Composite Products Inc
Priority date: 1989-09-05
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2010-09-05
Also published as: NO903826L; JPH0694130B2; KR910005993A; FI95217C; ATE98551T1; ES2047861T3; MY107299A; KR950009033B1; FI904267A0; DK0416859T3; HK12096A; JPH0393510A; CA2024337C; PT95188A; CA2024337A1; NO903826D0; DE69005237D1; EP0416859A1; EP0416859B1; PT95188B

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich generell auf die Extrusionsdurchmischung von thermoplastischem Harz mit Verstärkungsfasern. Genauer gesagt, wird eine Mehrfach-Extruderanordnung und ein Verfahren für die Erzeugung einer Vorform, geeignet für nachfolgende Benutzung in einem Formgebungsarbeitsgang wie einer Druckverformung, offenbart.
Die Vermischung von sowohl thermoplastischen als auch thermohärtenden Harzen mit Verstärkungsfasern in einem Extruder ist im Stand der Technik bekannt. Die Durchmischungsvorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik weisen jedoch Probleme und Nachteile auf, die durch das hier offenbarte besondere Mehrfach-Extrudersystem verbunden werden.
Bei den Vermischungsverfahren nach dem Stand der Technik werden die Fasern und Harze normalerweise gemeinsam in einen Mischextruder in festem Zustand eingesetzt. In einem solchen Durchmischungsarbeitsgang werden die Fasern in sehr kurze Längen gebrochen, gewöhnlich weniger als 0,25 cm (0,1 Zoll), infolge sowohl der mechanischen Wirkung der Extruderschnecke auf die Fasern als auch infolge des Vorhandenseins von thermoplastischen Harzen in hochviskosem Zustand, wenn das Harz zu schmelzen beginnt. Die Fasern befinden sich demgemäß in dem Extruder, wenn das thermoplastische Harz anfänglich aus dem festen in einen flüssigen Zustand überführt wird. Bei der ersten Umwandlung aus dem festen Zustand in eine Flüssigkeit durch eine Kombination aus mechanischer Bearbeitung und Hitze, haben thermoplastische Harze eine relativ hohe Viskosität, die zu dem Faserbruch beiträgt, wenn die Harze mit den Fasern in dem Extruder durchmischt werden. U.S.-Patent Nr. 4,422,992 offenbart eine solche Durchmischungsextrudervorrichtung und Verfahren. Gemäß der Offenbarung dieses Patentes wird ein einziger Zwillingsschneckenextruder verwendet für sowohl das anfängliche Aufschmelzen des Polymers als auch für das Zusetzen oder Kombinieren von Kohlenstoff- Fasern mit dem geschmolzenen Polymer. In einem ersten offenbarten Verfahren werden der Polymer und die Verstärkungsfasern beide in den Extruder an einem Speisetrichter eingesetzt. In einer zweiten Ausführungsform dieses Patents wird ein thermoplastischer Harzpolymer in eine erste Extruderzone eingesetzt, wo er aufgeschmolzen wird und von welchem er in eine zweite Extruderzone überführt wird, wo die Fasern eingesetzt werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Fasern stromab der Einsetzstelle des thermoplastischen Harzes in den Vermischungsextruder eingesetzt werden. Demgemäß ziehen relativ kalte Fasern Hitze aus dem aufgeschmolzenen thermoplastischen Harz und erhöhen dadurch die Viskosität des Harzes. Das resultierende, etwas höher viskose thermoplastische Harz trägt zum Faserbruch während des Extrudierprozesses bei. Dieses Verfahren hat weitere Nachteile. Die Schneckendrehzahl, die erwünscht ist für das Aufschmelzen des Harzes, ist nicht notwendigerweise die Schneckendrehzahl, die am wirksamsten wäre für das Durchmischen von Harz und Fasern. Auch die relativen Volumina des Harzes und der Fasern muß genau gesteuert werden, um das gewünschte Composite-Erzeugnis zu erhalten, und es ist schwierig, die Volumina dieser beiden Komponenten richtig aneinander anzupassen, wenn das Durchmischen in einer einzigen Schnecke bestimmter Geometrie erfolgt.
Die U.S.-Patentschriften Nr. Re. 32,772 und 4,312,917 offenbaren ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für das Herstellen von Composite, bestehend aus Verstärkungsfasern, eingebettet in ein thermoplastisches Harzmaterial. Das faserverstärkte Composite wird geformt durch Führen extrudierten Plastikharzes durch eine stationäre Form, in welche kontinuierliche Längen von Verstärkungsfasern in Gegenwart des erhitzten, geschmolzenen, thermoplastischen Harzes eingeführt werden. Die kontinuierlichen Längen von Fasern werden durch die Form gezogen, in der sie über Vorsprünge laufen und mit dem geschmolzenen, thermoplastischen Harz imprägniert zur Bildung eines extrudierten Kunststoffteils mit einer vorbestimmten Form mit sich kontinuierlich und in Längsrichtung darin erstreckenden Faserbündeln. Das extrudierte Plastikteil kann in kurze, pelletförmige Abschnitte für die Verwendung als ein verformbares Mischprodukt abgelenkt werden.
U.S.-Patente Nr. 4,393,020 und 4,500,595 offenbaren Verfahren für die Herstellung eines faserverstärkten Thermoplastik-Composites. Beide Patente verwenden jedoch konventionelle chargenweise Verfahren für die Ausführung des Schrittes der Bildung des Polymerfaser-Composites, wobei die Fasern durch ein Bad aus aufgeschmolzenem thermoplastischem Harz gezogen oder in dieses eingetaucht werden. In U.S.-Patent Nr. 4,393,020 wird ein Verfahren offenbart, bei dem die Fasern vorzugsweise in einer Richtung in dem Harzfaser-Composite orientiert sind und in beiden Patenten kann das Composite relativ lange Fasern aufweisen und wird verwendet zum Gießen von Endprodukten, etwa durch Spritzguß.
Kompressionsgießen hat bestimmte Vorteile gegenüber Spritzgießen, von denen einer die Möglichkeit ist, geformte Teile mit deutlich längeren Verstärkungsfasern zu erzeugen. Das Vorhandensein der langen Verstärkungsfasern ergibt Kunststoffteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Die Kunststoff-Rohmaterialien, die beim Kompressionsgießen eingesetzt werden, variieren von Bahnen zu schüttgutartigen Gußzusammensetzungen (eine kittartige Mischung) bis zu Pellets. Das schüttgutartige Gußgemisch (BMC = Bulk Molding Compound) und die Pelleterzeugnisse werden gewöhnlich zuerst in eine Vorform überführt, bevor das Gießen erfolgt, jedoch nicht immer. Die Vorform kann irgendeine gewünschte Form haben, etwa eine Bahn oder ein "scheitartiger" Typ von Teil, der in die Kammer der Kompressionsform eingesetzt wird. Die Gußgemische werden hergestellt aus mindestens zwei Komponenten einschließlich einer Verstärkungsfaser, wie Glas- oder Kohlenstoff-Faser, und einem Kunststoffharz. Verschiedene Füller und Zuschläge wie auch Farbstoffe können in der Gußzusammensetzung verwendet werden. Das Kunstharz kann entweder thermohärtend sein (wobei Hitze und Druck erforderlich sind, um das Molekulargewicht zum Herstellen einer festen Substanz zu erhöhen) oder thermoplastisch (hochmolekulare Harze, die Hitze erfordern für das Aufschmelzen und Kälte für die Verfestigung). Die große Mehrzahl der kompressionsgegossenen Teile werden gegenwärtig aus thermohärtenden Harzen hergestellt. Thermoplastische Harze haben einige deutliche Vorteile gegenüber thermohärtenden Harzen, wenn bei dem Kompressionsgußprozeß verwendet. Schnellere Gießzyklen und größere Zähigkeit der gegossenen Artikel sind zwei von ihnen. Thermoplaste sind erst kürzlich beim Kompressionsgießen angewandt worden. Rohmaterial- Lieferanten bieten thermoplastische Erzeugnisse für Kompressionsguß in zwei Formen an, Bahnen und Pellets.
Thermohärtende lose Gießverbundstoffe (TS-BMC = Thermosetting Bulk Molding Compounds) haben die Form einer kittähnlichen Substanz. Das Produkt wird in Brocken unterteilt, die geeignete Größe haben für den beabsichtigten Anwendungsfall. Dies kann von Hand erfolgen oder in einer im Handel erhältlichen Maschine, die automatisch Brocken (Vorformen) der richtigen Größe herstellt. Die Vorform wird in eine offene Form eingebracht, die auf die gewünschte Temperatur erhitzt ist. Das Harz schmilzt, fließt, die chemischen Ketten verlängern sich und verkreuzen einander zu einem festen Körper. Die Form wird geöffnet und das Teil wird entnommen, so daß der Zyklus wiederholt werden kann. Die Form wird normalerweise auf etwa 149ºC bis 177ºC (300 bis 350ºF) aufgeheizt. Thermohärtende Pellets, GranuIate oder Pulver können gewichtet werden und in eine offene Form geschüttet werden, die auf etwa die gleiche Temperatur erhitzt ist.
Die vorgenannten Gießverfahren zeigen die inhärenten Nachteile des Kompressionsgießens mit einem thermohärtenden Harzprodukt. In der Form muß das Harz zuerst aufschmelzen, dann fließen und dann in Molekulargewicht zunehmen bis zu einem Punkt, wo das Produkt ein fester Körper ist bei der Formtemperatur. Das Ergebnis ist eine lange Zykluszeit. Diese lange Zykluszeit ist teuer sowohl für den Hersteller wie auch den Endverbraucher. Dieser inhärente Nachteil macht das Gießen mit Verwendung von Thermoplasten besonders attraktiv. Thermoplaste brauchen in der Form nur abzukühlen, was zu einer erheblichen Erhöhung der Produktivität führt.
Thermoplastische Bahngießverbundstoffe (TP-SMC = Thermoplastic Sheet Molding Compounds) werden in Stücke geeigneter Größe für die beabsichtigte Anwendung geschnitten. Die Bahn wird in einem Ofen plaziert, das Harz wird aufgeschmolzen und die geschmolzene Bahn wird in eine offene Form eingesetzt, die auf etwa 38ºC bis 93ºC (100 bis 200ºF) erhitzt ist.
Diese Temperatur ist deutlich niedriger als der Schmelzpunkt des thermoplastischen Harzes. Die Form wird schnell geschlossen, was das Harz zum Fließen bringt unter Füllen des Formhohlraums. Die relativ kalte Temperatur der Form bewirkt, daß das Harz rapid härtet. Die Form wird geöffnet und das Teil wird entnommen, wonach die Form rezyklisiert werden kann. Zwei Beschränkungen dieses Verfahrens umfassen die Inkonsistenz in dem Bahnprodukt und die Unmöglichkeit, die Composite- Zusammensetzung zu modifizieren.
Die vorstehenden Beschränkungen werden eliminiert bei thermoplastischen losen Gießzusammensetzungen (TP-BMC = Thermoplastic Bulk Molding Compounds). Dieses Produkt ist in Pelletform erhältlich. Die Pellets werden in eine im Handel erhältliche Maschine eingeführt, welche die Pellets aufschmilzt, das Produkt gleichförmig durchmischt und eine präzise bemessene Vorform erzeugt. Diese heiße Vorform wird dann in die Form eingesetzt, gepreßt, gekühlt und entnommen. Die Konsistenz von Teil zu Teil wird gesteuert und Additive können zugesetzt werden, welche die Zusammensetzung des Composites nach Bedarf ändern. Dieses TP-BMC-Verfahren ist die neueste Form des Kompressionsgießens. Obwohl sie die Beschränkungen von TP-SMC eliminiert, erzeugt sie gleichwohl verschiedene neue Verfahrensschwierigkeiten.
Zuallererst müssen lange Verstärkungsfasern vorhanden sein, um in dem gegossenen Artikel hohe physikalische Eigenschaften zu erzeugen. Diese langen Fasern werden erzeugt durch Schneiden des TP-BMC-Pellets in Längen von typischerweise ein bis zwei Zoll. Diese langen Pellets sind harte, starre Stäbe, die sich nicht besonders gut in automatischen Anlagen handhaben lassen. Wenn das lange Pellet in den Vorformer eintritt, wird er oft geschnitten durch den Extruder-Schneckengang, wenn er die Zufuhröffnung passiert, wodurch die gewünschte Faserlänge herabgesetzt wird. Zweitens können die langen Pellets nicht in konventionellen Trocknern getrocknet werden. Nur Harze, die nicht hygroskopisch sind, können derzeit in dem TP-BMC-Verfahren gegossen werden. Einige hygroskopische Harze würden beim Kompressionsgießen ausgezeichnete Endprodukte ergeben. Weitere Nachteile sind, daß der Gießer die Kosten für das Verbinden des Langfasererzeugnisses in Pelletform bezahlen muß, wenn sie von dem Gießer gekauft werden, und mehrfache Wärmezyklen bei den Gußpellets verringern die physikalischen Eigenschaften des Endprodukts.
Die vorstehenden Probleme und Schwierigkeiten in Verbindung mit Kompressionsgießtechniken nach dem Stand der Technik würden eliminiert, wenn der Gießer das thermoplastische Gießprodukt an Ort und Stelle in speziell ausgelegten Anlagen herstellen könnte, welche mit der Vorformherstellanlage verbunden sind. Das Konzept des Verbindens durch den Gießer an Ort und Stelle ist nicht neu. Die verwendete Prozedur wird jedoch primär beim Kompressionsguß von thermohärtenden Kunststoffen eingesetzt, d.h. TS-BMC. Dieses Verbinden erfolgt in Mischern, die ungeeignet sind für Thermoplaste. Einige Thermoplastspritzgießer stellen Pellets mit kurzen Fasern auch an Ort und Stelle her.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und Verfahren für das Mischen von langen Fasern (vorzugsweise 2,54 cm (ein Zoll) lang oder größer) mit einem thermoplastischen Harz in einem Extrusionsverfahren zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 geschaffen für das Mischen von Verstärkungsfasern mit einem thermoplastischen Harz, umfassend: eine Speisequelle von Pellets thermoplastischen Harzes, einen Harzextruder mit einem Einlaß für die Aufnahme von Pellets samt plastischen Harzes von der Speisequelle, einem Auslaß und einer langgestreckten drehbaren Extrudierschnecke, die sich zwischen dem Einlaß und dem Auslaß erstreckt; Pellethandhabungsmittel für die überführung von Pellets thermoplastischen Harzes von der Speisequelle derselben in den Einlaß des Harzextruders, wodurch Pellets thermoplastischen Harzes mechanisch mittels der Harzextruderschnecke von dem Einlaß zu dem Auslaß gepumpt werden und dadurch erhitzt und aufgeschmolzen werden; im einzelnen gekennzeichnet durch einen Mischextruder, umfassend einen einzigen kontinuierlichen geraden Lauf und eine langgestreckte Leistungsschnecke, die sich darin zwischen dem Einlaßende und einem Austragende des Laufs erstreckt, welcher Lauf eine erste Einlaßöffnung und eine zweite Einlaßöffnung an dem Einlaßende aufweist in Kommunikation mit der Leistungsschnecke, wobei die zweite Einlaßöffnung kontinuierlich in Fluidströmungsbeziehung verbunden ist mit dem Auslaß des Harzextruders für die Aufnahme von aufgeschmolzenem thermoplastischem Harz in diesen an einer Stelle längs der langgestreckten Leistungsstrecke stromabwärts der ersten Einlaßöffnung und zwischen der ersten Einlaßöffnung und dem Austragende des Mischextruderlaufs, wobei die Leistungsschnecke im wesentlichen kontinuierliche Gewindegänge aufweist zumindest längs des Abschnitts derselben, mit welchem die erste und die zweite Einlaßöffnung kommunizieren; eine konvergierende, strömungsdrosselnde Passage an dem Austragende des Laufs von wesentlich kleinerem Durchmesser als dem Durchmesser des Laufs; und eine Speisequelle von diskreten vorbestimmten Längen von Verstärkungsfasern, verbunden mit der ersten Einlaßöffnung des Mischextruders, und Mittel für das Zuführen der Fasern in die erste Einlaßöffnung, wodurch die Fasern erhitzt und mechanisch bearbeitet werden durch die Leistungsschnecke, und kontinuierlich unter Druck innerhalb des Schneckenlaufs durch die Gewindemittel eingeschlossen sind, bevor sie in Mischkontakt mit dem aufgeschmolzenen thermoplastischen Harz gelangen, und wodurch die Fasern durch die Gewindegänge hinter die zweite Einlaßöffnung gefördert werden für gründliche anfängliche Befeuchtung durch aufgeschmolzenes thermoplastisches Harz, und wodurch die Fasern und das thermoplastische Harz in der Leistungsschnecke durchmischt werden zur Bildung einer homogenen geschmolzenen Masse von thermoplastischem Harz mit diskreten, diskontinuierlichen Längen von Verstärkungsfasern, die darin zufällig und homogen dispergiert sind.
Das Ziel der Erfindung wird realisiert durch Einsatz von zwei separaten Extrudern, umfassend einen ersten, nämlich den Harzextruder, und einen zweiten, nämlich den Mischextruder. Diskrete vorbestimmte Längen von Verstärkungsfasern werden in eine erste Einlaßöffnung des Mischextruders aus einer geeigneten Zufuhrquelle eingesetzt. Thermoplastische Harzpellets, eingeführt in den Harzextruder mittels Pellethandhabungsgerät, werden darin erhitzt und aufgeschmolzen und unter Druck in eine zweite Einlaßöffnung des Mischextruders gedrückt. Die Wirkung der Leistungsschnecke des Mischextruders erzeugt als ein Extrudat eine geschmolzene Masse von thermoplastischem Harz mit diskreten, diskontinuierlichen Längen von Verstärkungsfasern, die darin zufällig dispergiert sind. Der Gießer führt dieses Verfahren aus, wonach die heiße Mischung direkt in die Vorformherstellanlage eingesetzt wird und von dort direkt in die Kompressionsgießform, falls erwünscht.
Als ein Ergebnis der Tatsache, daß die zweite Einlaßöffnung stromab der ersten Einlaßöffnung angeordnet ist, werden die Fasern erhitzt und mechanisch bearbeitet durch die Leistungsschnecke des Mischextruders, bevor sie in Mischkontakt mit dem aufgeschmolzenen thermoplastischen Harz gelangen. Dies verbessert die Penetration und Beschichtung der Fasern mit dem thermoplastischen Harz und reduziert die Faserverschlechterung zum Zeitpunkt des Kontakts, welche sonst einträte, wenn das thermoplastische Harz in einem mehrviskosem Zustand wäre.
Ein weiterer, besonders vorteilhafter Aspekt des Mischverfahrens und der Vorrichtung liegt in der gewichtsgesteuerten Zufuhr von thermoplastischem Harz und Fasern zu dem Mischextruder. Die vorgenannte Pellethandhabungsvorrichtung umfaßt Wäge- und Fördervorrichtungen, die aufgebaut und angeordnet sind zum Zuführen von thermoplastischen Harzpellets in den Harzextrudereinlaß mit einer vorbestimmten Gewichtsrate. Darüber hinaus werden auch die Verstärkungsfasern aus einer Zufuhrquelle eingesetzt die ebenfalls gewichtsgesteuert ist, um sorgfältig die Gewichtsrate zu überwachen und zu steuern, mit der die Fasern in den Mischextruder eingesetzt werden. Eine solche Zufuhrquelle kann vorzugsweise Packungen von kontinuierlichen Fasersträngen umfassen, aus denen die Fasern gezogen werden und in gewünschte diskrete Längen geschnitten werden. Die gewichtsgesteuerte Zufuhr des thermoplastischen Harzes und der Verstärkungsfasern kann vorzugsweise ausgeführt werden mittels Gewichtsabnahmeeinrichtungen, verwendet in Kombination mit der Zufuhrquelle der Harzpellets und der Verstärkungsfasern. Durch sorgfältige Steuerung des Rohmaterialzufuhrsystems kann das gewünschte Gewichtsverhältnis der versetzten Mischung von thermoplastischem Harz und langen Verstärkungsfasern auf konsistenter Basis erzielt werden.
Die genannten Wäge- und Fördervorrichtungen für die thermoplastischen Harzpellets umfassen vorteilhafterweise einen Förderer, abgestützt auf einer Förderwaage für das Fördern thermoplastischer Harzpellets zu dem Einlaß des Harzextruders mit einer vorbestimmten Gewichtsrate.
Vorteilhafterweise umfaßt die Zufuhrquelle von Verstärkungsfasern kontinuierliche Längen von Fasern auf Zufuhrmitteln, positioniert auf einer Zufuhrwaage, um als Faserquelle zu dienen, und die Mittel für das Zuführen der Fasern umfassen ein Paar von Zufuhrrollen, die mit vorbestimmter Drehzahl umlaufen und nahe den Zufuhrmitteln positioniert sind, sowie ein rotierendes Abtrennmesser und einen Zufuhrtrichter, der in faseraufnehmender Beziehung zu den Zufuhrrollen steht und mit einem Auslaß an den ersten Einlaß des Mischextruders angeschlossen ist, wodurch die Förderrollen kontinuierliche Längen von Fasern von den Zufuhrmitteln abziehen und das Abtrennmesser die Fasern in die vorbestimmten Längen schneidet, wobei die abgeschnittenen Fasern in den Zufuhrtrichter aufgenommen werden, von welchem sie in den ersten Einlaß des Mischextruders überführt werden.
Vorteilhafterweise ist ein Computer in Signalempfangsbeziehung mit der Wiegevorrichtung für die Fasern und Signalerzeugungs- und Übertragungsbeziehung mit den Zufuhrrollen angeschlossen, welcher Computer so programmiert ist, daß er eine vorbestimmte Einsatzzufuhrrate von Fasern schafft und der Computer Signale zu den Zufuhrrollen überträgt, um die vorbestimmte Drehzahl derselben einzustellen in Reaktion auf Signale, die von dem Computer von dem Faserwägeapparat empfangen werden unter Angabe des Gewichtes von Fasern, die von der Zufuhrquelle zugeführt worden sind.
Eine Vorformeinrichtung für das Formen des Extrudats von dem Mischextruder in eine vorbestimmte Größe, Gewicht und Form der vorgeformten Masse kann in Fluidströmungsbeziehung mit dem Auslaßende des Mischextruders angeschlossen sein. Vorteilhafterweise umfaßt diese Vorformeinrichtung einen Extruder mit einer Leistungsschnecke, die darin drehbar und hin- und herbeweglich ist, wobei der Vorformextruder eine Auslaßkammer aufweist, in welche ein abgemessenes Volumen einer vorgeformten Masse einer homogenen Mischung von thermoplastischem Harz und Verstärkungsfasern in Form eines langgestreckten Scheits erzeugt wird. Alternativ kann die Vorformeinrichtung ein Paar von Rollen umfassen mit einer Einlaßseite und einer Auslaßseite, welche einen Walzspalt begrenzen, wobei die Eingangsseite in Fluidströmungsverbindung steht mit dem Auslaßende des Mischextruders zur Aufnahme von Extrudat aus diesem, wodurch das Extrudat als eine bahnförmige Vorform gebildet wird durch Durchlaufen durch den Walzspalt zwischen den Rollen, und ferner die Einrichtung ein Abschneidmittel umfaßt nahe der Auslaßseite des Paares von Rollen, um bahnförmige Vorformen in gewünschten Längen abzuschneiden.
Vorteilhafterweise ist ein Hol- und Bringmittel positioniert zur Aufnahme einer vorgeformten Masse von der Vorformeinrichtung, und eine Kompressionsgießmaschine nahe dem Hol- und Bringmittel, welches Hol- und Bringmittel hin- und herbeweglich ist zwischen der Vorformeinrichtung und der Kompressionsgießmaschine zum Aufnehmen von Vorformen von der Vorformeinrichtung und Überbringen derselben zu der Kompressionsgießmaschine.
Die Schnecke des Harzextruders und die Leistungsschnecke des Mischextruders können von unterschiedlichen Größen sein und unterschiedliche Volumendurchströmkapazität aufweisen.
Getrennte Leistungsantriebsmittel können unabhängig in Antriebsverbindung mit der Schnecke des Harzextruders und der Leistungsschnecke des Mischextruders stehen für den Antrieb der Schnecke bzw. der Leistungsschnecke mit vorbestimmten Drehzahlen, wodurch die Schnecke des Harzextruders und die Leistungsschnecke des Mischextruders unabhängig gesteuert werden können.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren nach Patentanspruch 13 für das Mischen von Verstärkungsfasern mit einem thermoplastischen Harz in einer Vorrichtung, umfassend einen Harzextruder mit einer drehbaren Extruderschnecke, die sich darin erstreckt, und mit einem Mischextruder mit einem Lauf, der ein Einlaßende und ein Austragende des Mischextruders aufweist, und einer langgestreckten Leistungsschnecke, die sich innerhalb des Laufs zwischen dem Einlaßende und dem Austragende desselben erstreckt, welches Verfahren umfaßt:
Drehantrieb der Extruderschnecke und der Leistungsschnecke mit vorbestimmten Drehzahlen;
Einspeisen diskreter Längen von Verstärkungsfasern in den Mischextruder an einer ersten Einlaßöffnung an dem Einlaßende des Laufs und mechanisches Bearbeiten und Erhitzen der Fasern, während sie kontinuierlich eingeschlossen sind innerhalb des Einlaßendes des Laufs durch die Leistungsschnecke;
Einführen von thermoplastischem Harzmaterial in den Harzextruder und Erhitzen und Aufschmelzen des Harzmaterials durch die Rotationswirkung der Extruderschnecke zur Bildung einer fluiden geschmolzenen Masse von thermoplastischem Harz; und
Einspeisen des geschmolzenen thermoplastischen Harzes unter Druck aus dem Harzextruder in den Mischextruder an einer zweiten Einlaßöffnung an dem Einlaßende des Laufs stromab von der ersten Einlaßöffnung zwischen der ersten Einlaßöffnung und dem Austragende des Laufs, und Bewegen der mechanisch bearbeiteten und behandelten Fasern durch die Leistungsschnecke hinter die zweite Einlaßöffnung, und dadurch Bilden eines homogenen Gemisches von thermoplastischem Harz und diskreten Längen von Verstärkungsfasern in dem Mischextruder durch die Rotationswirkung der Leistungsschnecke sowie Austrag des homogenen Gemisches von dem Austragende des Mischextruders.
Die Verstärkungsfasern können in den Mischextruder in diskreten Längen von mindestens 2,54 cm (ein Zoll) eingesetzt werden.
Das Verfahren umfaßt ferner vorteilhafterweise den Austrag des Gemisches aus thermoplastischem Harz und Fasern aus dem Auslaßende des Mischextruders in eine Vorformeinrichtung als eine geschmolzene Masse und Formen des Gemisches in eine vorgeformte Masse von vorbestimmter Größe und Form.
Die vorgenannte Vorrichtung und Verfahren werden vorteilhafterweise verwendet in einem Kompressionsgießverfahren, bei dem das Extrudat von dem Mischextruder direkt in einen Vorformer überführt wird. Der Vorformer erzeugt eine Kompressionsgußvorform gewünschten Gewichtes, die direkt zu dem Formhohlraum einer Kompressionsgießmaschine überführt werden kann. Alternativ kann das Mischextrudat als Bahnen geformt werden, geeignet für den späteren Gebrauch als ein Gießmaterial.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine vertikale Ansicht einer Extrudervorrichtung ist;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine fragmentarische Draufsicht auf einen Abschnitt der Vorrichtung nach Fig. 2 teilweise geschnitten ist;
Fig. 4 eine fragmentarische Draufsicht teilweise im Schnitt einer abgewandelten Form eines Vorformers in Kombination mit dem Mischextruder nach Fig. 1 bis 3 ist; und
Fig. 5 eine fragmentarische Seitenansicht einer modifizierten Form eines Bahnvorformers ist, gezeigt in Kombination mit dem Mischextruder nach Fig. 1 bis 3.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Fig. 1 bis 3 der Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 insgesamt die Extrudervorrichtung für das Mischen von Verstärkungsfasern mit einem thermoplastischen Harzmaterial. Eine solche Vorrichtung kann eingesetzt werden in Kombination mit einer Kompressionsgießmaschine, wie generell mit Bezugszeichen 2 angedeutet. Wie nachstehend ausgeführt, kann eine Vorform, erzeugt aus dem geschmolzenen Extrudat, ausgetragen aus der Extrudervorrichtung und bestehend aus einem Gemisch von thermoplastischem Harz mit Verstärkungsfasern, zu der Gießmaschine 2 überführt werden zum Gießen eines Gegenstandes gewünschter Form und Größe.
Die Extrudiervorrichtung besteht aus einem Harzextruder 4 und einem Mischextruder 8, die in Fluidströmungsverbindung stehen in einer besonders vorteilhaften Weise, wie nachstehend beschrieben. An den Harzextruder ist eine Zufuhrquel le thermoplastischen Harzmaterials angeschlossen, generell mit Bezugszeichen 6 markiert, und eine Zufuhrquelle von Verstärkungsfasern ist mit dem Mischextruder verbunden und mit Bezugszeichen 10 markiert.
Der Harzextruder 4 umfaßt eine langgestreckte, drehbare, mechanische Schnecke 12 innerhalb des Laufes oder Gehäuses 14 des Harzextruders 4. Die Schnecke 12 erstreckt sich in Längsrichtung durch den Lauf 14 zwischen einem Einlaß 16 und einem Auslaßanschluß 18, wie am besten in Fig. 3 gezeigt. Wie ebenfalls in Fig. 3 gezeigt, kann ein elektrisches Heizaggregat 20 rings um den Lauf 14 des Extruders 4 verwendet werden, um zusätzliche Hitze zu liefern zusätzlich zu jener, die durch die mechanische Wirkung der Extruderschnecke 12 bereitgestellt wird zum Unterstützen des Aufschmelzens von thermoplastischen Harzpellets, die in den Extruderlauf 14 durch den Einlaß 16 eingesetzt werden.
Wie in Fig. 1 angedeutet, kann die Leistungsschnecke 12 des Extruders 4 von einem Motor 22 angetrieben werden, dessen Ausgangswelle mit der Schnecke 12 durch ein entsprechendes Leistungsübertragungsmittel 24, wie einen Riementrieb, in konventioneller Weise verbunden sein kann.
Thermoplastisches Harz wird dem Extruder 4 vorzugsweise in Pelletform aus einer Trommel oder einem Behälter 26 zugeführt. Jedes von einer Mehrzahl von thermoplastischen Harzmaterialien kann verwendet werden, unter denen sich beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, verschiedene Nylons, Polycarbonat, Styrol, Styrolacrylnitril, Acrylnitrilbutadienstyrol, Polysulfon, Polyurethan, Polyphenylensulfid, Acetalharze, Polyester, Polyesterelastomere, wie DuPont HYTREL-Marke, und verschiedene thermoplastische Gummis befinden. Ein Vakuumlader 30 ist mit dem Harzpelletsbehälter 26 über ein Vakuumgreifrohr 28 verbunden und dient dazu, Harzpellets aus dem Behälter 26 durch Rohr 28 abzusaugen und sie in einen Thermoplastiktrockner 32 zu überführen. Der Trockner 32 ist von konventioneller Konstruktion und dient dazu, die thermoplastischen Harzpellets in einem gewünschten Maß zu trocknen, bevor sie in den Harzextruder 4 überführt werden. Das schließliche Überführen der Pellets in den Extruder 4 erfolgt mittels eines Zufuhrförderers 36, beispielsweise in Gurtform, wie gezeigt, und bildet einen Teil einer Gewichtsverlust-Förderwaagenbaugruppe 34. Verschiedene Typen von Pelletförderern können verwendet werden einschließlich Förderschnecken. Alle vorgenannten Pelletzufuhrvorrichtungen umfassen Pellethandhabungsmittel für die Überführung thermoplastischer Harzpellets von einer Zufuhrtrommel 26 zum Extruder 4, wobei der Austrag von Harzpellets vom Gurtförderer 36 in einen abschließenden Zufuhrtrichter 38 erfolgt, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt. Das bodenseitige Auslaßende des Trichters 38 ist verbunden mit der Einlaßöffnung 16 des Extruders 4. Die Förderer/Waagenbaugruppe 34 wird anfänglich programmiert zum Überführen von thermoplastischen Harz pellets in einer gewünschten Gewichtsströmungsrate in den Harzextruder 4. Die Waage ist computergesteuert.
Der Harzextruder 4 ist auf einer Basisplatte 48 montiert und sein Auslaßanschluß oder Fitting 18 ist verbunden mit einer Adapterleitung 40, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Adapterleitung 40 steht in Fluidströmungskommunikation zwischen dem Auslaßanschluß 18 beim Auslaß des Harzextruders 4 und einem Einlaßfitting 42, vorgesehen am Mischextruder 8 am Einlaßendabschnitt 8a. Eine interne Strömungspassage 44 innerhalb der Adapterleitung 40 ist positioniert zum Aufnehmen des Extrudats, ausgetragen durch die Auslaßverbindung 18 des Extruders 4. Eine ähnliche interne Strömungspassage 46 innerhalb des Einlaßfittings 42 kommuniziert mit der Strömungspassage 44 der Adapterleitung 40 und hat ein Auslaßende 46a, das als Einlaß zu dem Einlaßende 8a des Mischextruders 8 dient.
Die mechanische Wirkung einschließlich der Reibung, erzeugt durch die Leistungsschnecke 12 des Harzextruders 4, auf die thermoplastischen Harzpellets in Verbindung mit der Hitze von dem zusätzlichen Heizaggregat 20 dient dazu, die thermoplastischen Harzpellets innerhalb des Laufes 14 des Extruders 4 aufzuschmelzen. Das thermoplastische Harz verläßt demgemäß den Extruder 4 durch seine Auslaßverbindung 18 in Form einer geschmolzenen Masse in einem fluiden Zustand und wird unter der Pumpwirkung der Extruderschnecke 12 durch die Adapterleitung 40 in den Mischextruder 8 durch dessen Einlaß 46a gefördert.
Der Mischextruder 8 hat einen Lauf oder ein Gehäuse 50, innerhalb welchem eine langgestreckte Leistungsschnecke 52 enthalten ist, die sich vom Einlaßende 8a zum Auslaß- oder Austragende 8b des Extruders 8 erstreckt. Ein zusätzliches elektrisches Heizaggregat 54 kann ebenfalls, wie in Fig. 3 gezeigt, eingesetzt werden, indem es das Gehäuse des Mischextruders 8 umschließt.
Der Mischextruder 8 wird auf einem Sockel oder einer Platte 60 abgestützt, die außerdem einen Antriebsmotor 56 und Leistungsübertragungsmittel 58 trägt für die Überführung von Drehleistung zur Extruderschnecke 52 des Mischextruders 8. Wie beim Harzextruder 4, befindet sich das Leistungsübertragungsmittel 58 innerhalb eines Gehäuses, wie dargestellt, und ist mit der Ausgangswelle des Antriebsmotors 56 verbunden. Ein solches Leistungsübertragungsmittel kann verschiedene Formen annehmen einschließlich jener eines konventionellen Riementriebs.
Der Mischextruder 8 hat einen ersten Einlaß 62 am Einlaßende 8a, das sich stromauf des Harzschmelzeeinlasses 46a befindet bezüglich der Richtung des Materialflusses durch den Extruder 8 aus Gründen, die nachstehend erläutert werden.
Die Zufuhrquelle 10 der Verstärkungsfasern ist mit dem ersten Einlaß 62 verbunden. Die Zufuhrquelle von Verstärkungsfasern kann verschiedene Formen haben. Es ist nur wichtig, daß die Verstärkungsfasern zu dem Mischextruder 8 als diskrete Längen von Verstärkungsfasern vorbestimmter Länge zugeführt werden, vorzugsweise mehr als ein Zoll, und zwar mit einer gesteuerten Rate. Zu diesem Zweck kann die Zufuhrquelle von Verstärkungsfasern vorzugsweise ein Paar von Rollen 64 umfassen, gehalten innerhalb eines Paares von Abgabebehältern oder Packungen 66, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt. Die Faserzufuhrrollen 64 und ihr Behälter 66 sind auf einer Basisplatte 68 positioniert, die eine Komponente einer Gewichtsverlustwaage 70, angedeutet in Fig. 1, bildet. Kontinuierliche Längen von Verstärkungsfasern 72, abgezogen von den Rollen 64, werden zwischen ein Paar von Friktionsrollen 74 geführt, die dazu dienen, kontinuierliche Längen von Fasern von den Zufuhrrollen 64 abzuziehen. Eine Abschneiderolle 76 ist vorgesehen mit einer Mehrzahl von Schneiden 78. Diese Schneiden dienen dazu, die kontinuierlichen Faserstränge 72 in vorbestimmten Intervallen zu durchschneiden, um so die Verstärkungsfasern in diskrete vorbestimmte Längen zu schneiden. Die separaten diskreten Längen von Verstärkungsfasern werden in Trichter 82 eines Stopfförderers 80 mit einer Förderschnecke 84 eingesetzt. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, wird die Förderschnecke 84 angetrieben von einem Antriebsmotor 86 mit einem Untersetzungsgetriebe. Die umlaufende Schnecke 84 dient dazu, die diskreten Längen von Verstärkungsfasern durch einen ersten Einlaß 62 in das Einlaßende 8a des Mischextruders 8 zwangszufördern oder zu stopfen.
Wie bei der Gewichtsverlustwaage 34, eingesetzt für das Einsetzen von Harzpellets in den Extruder 4, ist auch die Gewichtsverlustwaage 70 computerprogrammiert, um so das Zuführen von Verstärkungsfasern mit einer gewünschten Gewichtsrate durch den Stopfförderer 80 in den Einlaß 62 des Mischextruders 8 zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird die Drehzahl der Faserzuführrollen 74 durch Signale gesteuert, empfangen von der Gewichtsverlustwaage 70. Auf diese Weise rotieren die Rollen 74 mit einer vorbestimmten Drehzahl, um so kontinuierliche Faserstränge 72 von den Zufuhrpackungen 66 mit einer gewünschten Drehzahl abzuziehen für das Schneiden in diskrete Längen durch die Schneiden 78. Ein Computer 75 ist schematisch in Fig. 1 angedeutet für den Empfang von Gewichtszufuhrsignalen von den Waagen 34 und 70 und die Abgabe von Fördersteuersignalen zum Einregulieren der Geschwindigkeit des Förderers 36 wie auch der Drehzahl der Förderrollen 74. Der Computer 75 wird anfänglich programmiert zum Bereitstellen der vorbestimmten Formel von Harz und Faser, beispielsweise 60 Gew.-% Harz und 40 Gew.-% Faser im Extrudat, wie auch zum Steuern des gewünschten gesamten Einsetzgewichtes von Faser und Harz in Pfunden pro Zeitintervall.
Innerhalb des Mischextruders 8 werden das geschmolzene thermoplastische Harz und die diskreten Längen von Verstärkungsfasern gemischt und innig verbunden, um eine homogene Masse zu bilden. Die geschmolzene Masse an thermoplastischem Harz mit diskreten, diskontinuierlichen Längen von Verstärkungsfasern, die darin zufällig dispergiert sind, wird in dem Lauf 50 des Mischextruders 8 gebildet durch die mechanische Wirkung der Leistungsschnecke 52 und in das Austragende 8b des Extruders 8 mittels der Schnecke 52 als Extrudat gepumpt. Die Fasern innerhalb des geschmolzenen Extrudats, ausgetragen vom Mischextruder 8, haben vorzugsweise eine Länge von mehr als 2,54 cm (ein Zoll), um auf diese Weise eine maximale mechanische Festigkeitsverbesserung für die Gegenstände zu bewirken, die aus solchem Extrudat gegossen werden. Das aus dem Auslaßende 8b des Extruders 8 ausgetragene Extrudat kann vorzugsweise in eine Vorformeinrichtung überführt werden zur Formung des geschmolzenen Gemisches aus thermoplastischem Harz und Verstärkungsfasern in eine vorbestimmte Größe und Form zur Verwendung als Vorform in einer Gießmaschine.
Besondere Vorteile und Begünstigungen werden realisiert durch Positionieren des Einlasses 46a für das Einführen von geschmolzenem thermoplastischem Harz in den Mischextruder 8 an einer Stelle längs der Länge der Leistungsschnecke 52, die sich stromab von dem ersten Einlaß 62 befindet, durch welchen Verstärkungsfasern aufgenommen werden. Der Ausdruck stromab bezieht sich auf die Richtung der Faser- und Thermoplastikharzschmelzeströmung durch den Mischextruder 8 von seinem Einlaßende 8a bis zu seinem Austragende 8b. Als Ergebnis dieser besonderen Einlaßanordnung für die geschmolzene Masse von thermoplastischem Harz und die vorgeschnittenen Längen von Verstärkungsfasern werden die Fasern erhitzt und mechanisch bearbeitet durch die Leistungsschnecke 52 längs des Einlaßendes 8a des Extruders 8, bevor sie in Mischkontakt gelangen mit dem geschmolzenen thermoplastischen Harz. Im Ergebnis wird die Penetration und Beschichtung der einzelnen Fasern, aus denen der Strang oder die Bündel jeder Länge von Fasern besteht, erheblich verbessert. Da ferner die Fasern vorgeheizt sein werden längs des Einlaßendes des Mischextruders 8, kühlen sie das erhitzte thermoplastische Harz nicht ab und erhöhen nicht seine Viskosität. Bei höherer Viskosität des thermoplastischen Harzes steigt die Neigung zur Verschlechterung und Bruch der Verstärkungsfasern im Augenblick des Kontakts. Es ist festzuhalten, daß das thermoplastische Harz als eine geschmolzene Masse aus dem Harzextruder 4 in den Mischextruder 8 durch Einlaß 46a bei einer erhöhten Temperatur eingesetzt wird, die in einem Bereich generell zwischen 204ºC und 371ºC (400ºF und 700ºF) liegt, abhängig von dem jeweils eingesetzten thermoplastischen Harz.
Wie oben erwähnt, kann das Mischextrudat aus geschmolzenem thermoplastischem Harz und diskreten Längen von Verstärkungsfasern, ausgetragen aus dem Mischextruder 8, in eine Vorformeinrichtung überführt werden, und eine solche Einrichtung ist generell mit Bezugszeichen 88 in Fig. 1, 2 und 3 markiert.
Die Vorformungseinrichtung kann verschiedene Formen aufweisen, abhängig von dem jeweiligen Typ und der Form der gewünschten Vorform für einen Gußarbeitsgang. Wenn eine stab- oder scheitförmige Vorform erwünscht ist von generell zylindrischer Form, kann ein Extrudiervorformer verwendet werden, bestehend aus einem Lauf oder Gehäuse 90 und einer Leistungsschnecke 92. Ein solcher Extruder ist versehen mit einer Antriebseinheit 94, umfassend einen Motor und ein Leistungsübertragungsmittel für die Übertragung von Drehleistung auf die Schnecke 92, wie auch einer hin- und hergehenden Bewegung. Ein externes Heizaggregat 96 kann ebenfalls verwendet werden rings um die Außenseite des Vorformextrudergehäuses 90. Ein Adapterfitting 98, ausgebildet mit einer konvergierenden internen Passage 100 wird vorzugsweise verwendet, um die homogene Mischung aus geschmolzenem thermoplastischem Harz und langen abgelenkten Verstärkungsfasern in eine seitliche Öffnung 102 des Vorformerextrudergehäuses 90 zu überführen. Der Adapter 98 ist wie dargestellt zwischen dem Auslaß- oder Austragende 8b des Laufes 50 von Mischextruder 8 und der seitlichen Öffnung 102 des Vorformerextrudergehäuses 90 angeschlossen. An dem Austragende des Extruderlaufes 90 ist eine Vorformkammer 104 vorgesehen. Vorzugsweise läuft die Extruderschnecke 92 nicht nur um, sondern ist mit einer Antriebsanordnung derart versehen, daß sie hin- und herverlagert wird längs der Länge des Extruderlaufes 90, wie durch die Richtungspfeile in Fig. 3 angedeutet. Ein Abtrennmesser 106 ist vorgesehen quer zu dem Austragende des Extrudergehäuses 90. Im Betrieb treibt die Drehbewegung der Extruderschnecke 100 geschmolzenes Extrudat, aufgenommen durch die interne Passage 92 des Adapterfittings, in die Vorformkammer 104 zur Bildung eines stab- oder scheitförmigen Vorformlings gegen das Abtrennmesser 106. Das Abtrennmesser 106 wird dann vertikal angehoben und die Leistungsschnecke 92 verschiebt sich nach vorn in Richtung der Vorformkammer 104, um so einen scheitförmigen Vorformling auf eine HoI- und Bringplatte 108 zu schieben. Das Messer 106 wird dann betätigt für eine Abwärtsbewegung und schneidet das vorgeformte Scheit in gewünschter Länge ab. Die Drehung der Schnecke 92 bewirkt einen Druckaufbau innerhalb der Kammer 104, in Reaktion auf welchen die Schnecke 92 dann nach hinten zurückläuft zur Aufnahme einer weiteren Charge von geschmolzenem Vorformextrudat von dem Austragende des Mischextruders 8. Die Hol- und Bringplatte 108 kann so angeordnet sein, daß sie sich seitlich hin- und herbewegt auf einem Fördermittel, generell mit Bezugszeichen 109 in Fig. 1 und 2 markiert. Eine solche Anordnung wird verwendet, wenn es erwünscht wird, die Mischvorrichtung und den Vorformer in direkte Verbindung zu bringen mit einer Gießmaschine, angedeutet mit Bezugszeichen 2 für direkte kombinierte Operation durch einen Gießer. Die Gießmaschine 2, die in Fig. 1 und 2 generell angedeutet ist, ist eine Kompressionsgießmaschine, bestehend aus einer Kompressionspresse 110, welche einen konvexen Gießkopf 112 trägt, ausgebildet zur Aufnahme in einem Gußhohlraum 114. Die Kompressionspresse 110 wird nach oben und unten hin- und herverlagert auf Führungsstangen 118 mittels eines hin- und hergehenden Arbeitszylinders 116.
Demgemäß wird das vorgeformte Gußmaterial, bestehend aus einer Stange oder einem Scheit, aufgenommen von dem Vorformer 88 auf der Holund Bringplatte 108, in dem Formhohlraum 114 deponiert. Dananch wird die Formpresse betätigt zum Komprimieren des Gußmaterials in die gewünschte Form. Die Hol- und Bringplatte 108 wird dann seitlich zurückverlagert auf dem Fördermittel 109 in die Position, die in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, zur Aufnahme eines weiteren vorgeformten Stabs oder Scheits von dem Austragende des Vorformers 88. Das Fördermittel 109 kann irgendein Typ von Förderer sein, wie ein Rollen- oder Gurtförderer.
In Fig. 4 ist ein fragmentarischer Schnitt einer alternativen Form einer Vorformeinrichtung dargestellt. Die Vorformeinrichtung nach Fig. 4 ist insgesamt mit 120 bezeichnet und umfaßt, wie dargestellt, einen langgestreckten Akkumulatorzylinder 122, in dem ein Kolben 124 hin- und hergehend angeordnet ist. Eine seitliche Öffnung 128 ist im Zylinder 122 ausgebildet zur Aufnahme von Adapterfitting 98 gleicher Form und Konfiguration, wie oben gezeigt und beschrieben unter Bezugnahme auf die Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3. Eine Vorformkammer 126 ist vorgesehen zwischen Kolben 124 und dem Austragende des Zylinders 122, wie dargestellt. Demgemäß wird das Mischextrudat aus geschmolzenem, fluidem, thermoplastischem Harz mit diskreten Längen von Verstärkungsfasern eingemischt aus dem Austragende 8b des Mischextruders 8, durch die Mischschnecke 52 ausgepreßt und durch die konvergierende Passage 100 von Adapterfitting 98 und in die Vorformkammer 126. Innerhalb der Kammer 126 wird das vorgenannte Extrudat gegen Abtrennmesser 106 komprimiert zur Bildung einer Vorformgußcharge gewünschter zylindrischer Form. Das Abtrennmesser 106 arbeitet in der gleichen Weise, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1, 2 und 3 beschrieben, um auf diese Weise den Vorformling auf eine gewünschte Länge abzutrennen, wenn der Kolben 124 hin- und hergeht. Die Vorwärtsbewegung des Kolbens 124 trägt den Vorformling aus, wenn das Abtrennmesser 106 angehoben ist, danach wird das Messer nach unten abgesenkt zum Abtrennen des Vorformlings auf der gewünschten Länge.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, das Extrudat aus thermoplastischem Harz und Verstärkungsfasern aus dem Mischextruder 8 in die Form einer Bahn zu bringen. Ein solches Bahnerzeugnis könnte verwendet werden für Kompressionsgießen gemäß dem Thermoplastikbahngießverbund (TP-SMC). Um dies zu ermöglichen, würde die Vorformeinrichtung oder Anlage ein Paar von Kalanderwalzen 130 und 132 umfassen, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander unter Ausbildung eines WalzspaIts 134 angeordnet sind zum Formen von Bahnen der gewünschten Dicke. Die drehbar angeordneten Walzen 130 und 132 sind nahe einem speziellen Adapterfitting 136 angeordnet, angebracht an dem Austragende 8b des Mischextruders 8, wie in Fig. 5 gezeigt. Das Adapterfitting 136 ist eigentlich eine bahnbildende Form und hat eine interne Passage 138, die an ihrem äußeren Ende zu der Form eines Schlitzes 139 der gewünschten Länge konvergiert für die Bildung von Bahnen aus dem Extrudat, das vom Austragende des Mischextruders 8 durch die Leistungsschnecke 52 ausgetrieben wird. Eine auf solche Weise gebildete Bahn ist mit Bezugszeichen 140 markiert. Ein hin- und hergehendes Abtrennmesser 142 ist, wie gezeigt, an der Auslaßseite des Walzspalts 134 zwischen den Walzen 130 und 132 angeordnet zum Schneiden der Bahnen in die gewünschte Länge. Ein Aufnahmetisch oder eine Aufnahmeplatte 144 ist positioniert zum Aufnehmen der Bahnen 140, wobei die rückwärtige Kante der Bahn als eine Führung für das Abtrennmesser 142 dient.
Fachleute erkennen, daß sich besondere Vorteile ergeben aus der Multiextrudervorrichtung und dem hier offenbarten Verfahren für das Mischen thermoplastischen Harzes mit relativ langen Verstärkungsfasern (mehr als ein Zoll lang), um so einen Gußvorformling herzustellen. Zusätzlich zu den besonderen oben diskutierten Vorteilen bezüglich der Anwendung eines separaten Thermoplastikharzextruders 4 in Kombination mit einem Mischextruder 8, in welchem das thermoplastische Harz in geschmolzenem Zustand für das Vermischen mit Verstärkungsfasern eingesetzt wird, welche ihrerseits durch einen getrennten Einlaß eingeführt werden, ermöglicht , die Anwendung eines separaten Harzaufheiz- und Schmelzextruders 4 in Kombination mit dem Mischextruder 8, wobei die Schnecken der beiden Extruder unabhängig voneinander angetrieben sind, die Schneckendrehzahlen der beiden Extruder unabhängig voneinander zu steuern. Die Drehzahl der Mischextruderschnecke 52 wird häufig nicht dieselbe Drehzahl haben wie die Harzschmelzextruderschnecke 12. Die Extruder 4 und 8 sind auch von unterschiedlichen Größen relativ zu ihren Innendurchmessern und Längen, so daß bei maximaler Ausgangsgeschwindigkeit das Extrudat vom Harzextruder 4 zusammen mit den zugesetzten Fasern, eingeführt durch Einlaß 62 in den Mischextruder 8, sich an die Austragrate des Mischextruders 8 anpassen wird.
Die Gewichtsverlustwaagen 34 und 70, die auch als gravimetrische Waagen bekannt sind, stellen sicher, daß thermoplastische Harzpellets und gehackte Fasern konsistent und genau auf einer Minute-zu- Minute-Basis über ausgedehnte Zeitperioden zugeführt werden. Die Rohmaterial-Zuführsysteme 6 und 10 sind sehr wichtig für den Betrieb des Gesamtsystems, um so die richtige Mischung von thermoplastischem Harz und Verstärkungsfasern zu etablieren und aufrechtzuerhalten. Wenn das Extrudat beim Vermischen der Rohmaterialien im Mischextruder 8 gebildet worden ist, ist ein weiteres Zusetzen zu dem Extrudat nicht möglich.
Die hier offenbarten Multiextrudervorrichtungen und Verfahren bewirken besondere Betriebseffizienz und Kosteneinsparungen bei Gießoperationen, die eine zugemessene Vorform erfordern. Die Rohmaterialkosten des Gießers werden deutlich herabgesetzt, weil er nicht für die Kosten von vorvermischten Pellets oder Bahnen zu bezahlen braucht. Das Vermischen erfolgt an dem Gießort als eine kontinuierliche Operation integral mit dem Gießverfahren. Das System ist auch sehr flexibel. Der Verstärkungsfasergehalt kann nach Wunsch verändert werden durch die anfängliche Programmierung des Faserzuführsystems 10. Additive können an dem Thermoplastikharzsystem vorgesehen werden vor der Extrusion und verschiedene Formen von Verstärkung können allein oder Mehrfachverstärkungen können laufengelassen werden zum Bilden eines Hybridcomposites. Dieses System schafft auch Flexibilität bezüglich mehrfacher Zufuhrquellen von Verstärkungsfasermaterialien Der Gießer kann irgendeine bestimmte Faserzufuhr vorsehen, gewünscht bei den Faserzufuhrpackungen 66, wie Glas, Kohlefaser und so weiter. Hygroskopische Harze können ohne weiteres verarbeitet werden und getrocknet werden unter Verwendung des Trockners 32, der oben unter Bezugnahme auf das Harzzufuhrsystem 6 beschrieben wurde. Auch hält das System totale Kontrolle über den Prozess für das Vermischen des thermoplastischen Harzmaterials und der Verstärkungsfasern und die Herstellung der Vorform in der Hand des Gießers.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vorteilhafterweise das Mischen von thermoplastischem Harz mit Verstärkungsfasern in einem Mehrfachextrudersystem derart vor, daß bemessene Vorformlinge einer vorbestimmten Größe und Form erzeugt werden, bestehend aus diskontinuierlichen Längen und Verstärkungsfasern, die zufällig in thermoplastischem Harz dispergiert sind.
Die Ausführungsform sieht ferner vorteilhafterweise ein gestrecktes Gemisch aus thermoplastischem Harz mit Verstärkungsfasern vor, bei dem die strukturelle Integrität der diskreten Fasern in Längen von vorzugsweise 2,54 cm (ein Zoll) oder mehr aufrechterhalten werden.

Claims

1. Vorrichtung für das Mischen von Verstärkungsfasern mit einem thermoplastischen Harz, umfassend: eine Speisequelle (6) von Pellets thermoplastischen Harzes; einen Harzextruder (4) mit einem Einlaß (38) für die Aufnahme von Pellets thermoplastischen Harzes von der Speisequelle; einen Auslaß (18) und einer langgestreckten drehbaren Extrudierschnecke (12), die sich zwischen dem Einlaß und dem Auslaß erstreckt; Pellet-Handhabungsmittel (34) für die Überführung von Pellets thermoplastischen Harzes von der Speisequelle (6) derselben in den Einlaß (38) des Harzextruders, wodurch Pellets thermoplastischen Harzes mechanisch mittels der Harzextruderschnecke (12) von dem Einlaß zu dem Auslaß gepumpt werden und dadurch erhitzt und aufgeschmolzen werden; im einzelnen versehen mit einem Mischextruder (8), umfassend einen einzigen kontinuierlichen geraden Lauf und eine langgestreckte Leistungsschnecke (52), die sich darin zwischen einem Einlaßende (8a) und einem Austragende (8b) des Laufs erstreckt, welcher Lauf (8a) eine erste Einlaßöffnung und eine zweite Einlaßöffnung (62, 46a) an dem Einlaßende aufweist in Kommunikation mit der Leistungsschnecke (52), wobei die zweite Einlaßöffnung (46a) kontinuierlich in Fluidströmungsbeziehung verbunden ist mit dem Auslaß (18) des Harzextruders (4) für die Aufnahme von aufgeschmolzenem thermoplastischem Harz von diesem an einer Stelle längs der langgestreckten Leistungsstrecke stromabwärts der ersten Einlaßöffnung (62), und zwischen der ersten Einlaßöffnung (62) und dem Austragsende (8b) des Mischextruderlaufes, wobei die Leistungsschnecke (52) im wesentlichen kontinuierliche Gewindegänge aufweist zumindest längs des Abschnitts derselben, mit welchem die erste und die zweite Einlaßöffnung (62, 46a) kommunizieren; eine konvergierende, strömungsdrosselnde Passage (100) an dem Austragende (8b) des Laufes von wesentlich kleinerem Durchmesser als dem Durchmesser des Laufes; und eine Speisequelle (10) von diskreten vorbestimmten Längen von Verstärkungsfasern, verbunden mit der ersten Einlaßöffnung (62) des Mischextruders, und Mittel (74) für das Zuführen der Fasern in die erste Einlaßöffnung (62), wodurch die Fasern erhitzt und mechanisch bearbeitet werden durch die Leistungsschnecke (52) und kontinuierlich unter Druck innerhalb des Schneckenlaufes durch die Gewindemittel eingeschlossen sind, bevor sie in Mischkontakt mit dem aufgeschmolzenen thermoplastischen Harz gelangen, und wodurch die Fasern durch die Gewindegänge hinter die zweite Einlaßöffnung (46a) gefördert werden für gründliche anfängliche Befeuchtung durch aufgeschmolzenes thermoplastisches Harz, und wodurch die Fasern und das thermoplastische Harz in der Leistungsschnecke durchmischt werden zur Bildung einer homogenen geschmolzenen Masse von thermoplastischem Harz mit diskreten diskontinuierlichen Längen von Verstärkungsfasern, die darin zufällig und homogen dispergiert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Handhabungsmittel für Pellets thermoplastischen Harzes Wäge- und Fördervorrichtungen umfassen, positioniert zur Aufnahme von Pellets thermoplastischen Harzes von der Speisequelle derselben und zum Zuführen von Pellets thermoplastischen Harzes in den Harzextrudereinlaß mit einer vorbestimmten Gewichtsrate; und bei welcher die Mittel für das Zuführen von Fasern in die erste Einlaßöffnung des Mischextruders Wägevorrichtungen umfassen, auf denen Fasern aufgenommen und gewogen werden, und Fördervorrichtungen, positioniert nahe der Wägevorrichtung zum Zuführen diskreter Längen von Verstärkungsfasern in die erste Einlaßöffnung des Mischextruders mit einer vorbestimmten Gewichtsrate.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Wägevorrichtung für die Pellets thermoplastischen Harzes und die Wägevorrichtung für die Verstärkungsfasern jeweils eine Gewichtsverlustförderwaage umfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei der die Wäge- und Fördervorrichtung für die Pellets thermoplastischen Harzes einen Förderer umfassen, der auf einer Zufuhrwaage abgestützt ist für das Fördern von Pellets thermoplastischen Harzes zu dem Einlaß des Harzextruders mit einer vorbestimmten Gewichtsrate.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Speisequelle für Verstärkungsfasern kontinuierliche Längen von Fasern auf Zufuhrmitteln umfaßt, positioniert auf einer Förderwaage, um als Faserquelle zu dienen, und die Mittel für das Zuführen der Fasern ein Paar von Förderwalzen umfassen, die mit vorbestimmter Drehzahl laufen und positioniert sind nahe den Zufuhrmitteln, sowie ein bewegliches Abtrennmesser, und einen Zufuhrtrichter, der in faseraufnehmender Beziehung mit den Zufuhrwalzen positioniert ist und mit einem Auslaß mit der ersten Einlaßöffnung des Mischextruders verbunden ist, wodurch die Zufuhrwalzen kontinuierliche Längen von Fasern von den Zufuhrmitteln abziehen und das Abtrennmesser die Fasern in die vorbestimmten Längen schneidet, wobei die geschnittenen Fasern in dem Zufuhrtrichter aufgenommen werden, von welchem sie in die erste Einlaßöffnung des Mischextruders gefördert werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, soweit von Anspruch 2 abhängig, bei der ein Rechner in signalempfangender Beziehung mit der Wägevorrichtung für die Fasern verbunden ist und in Signalerzeugungs- und -übertragungsbeziehung mit den Zufuhrwalzen steht, welcher Rechner programmiert ist zum Bereitstellen einer vorbestimmten Eingabezufuhrrate von Fasern, und welcher Rechner Signale bereitstellt für die Zufuhrwalzen zum Einstellen der vorbestimmten Geschwindigkeit derselben in Reaktion auf Signale, empfangen durch den Rechner von der Faserwägeeinrichtung, welche das Gewicht an Fasern angibt, die von der Speisequelle zugeführt werden.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der eine Präformeinrichtung für die Formung des Extrudats von dem Mischextruder in eine vorbestimmte Größe, Gewicht und Form der vorgeformten Masse in Fluidströmungsbeziehung verbunden ist mit dem Austragende des Mischextruders.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Präformeinrichtung einen Extruder umfaßt mit einer Leistungsschnecke, die drehbar und hinund herbeweglich darin aufgenommen ist, welcher Präformextruder eine Auslaßkammer aufweist, in der ein bemessenes Volumen einer vorgeformten Masse eines homogenen Gemisches von thermoplastischem Harz und Verstärkungsfasern in Form eines langgestreckten Klotzes erzeugt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Präformeinrichtung ein Paar von Walzen umfaßt mit einer Eingabeseite und einer Ausgabeseite unter Begrenzung eines Walzspalts, wobei die Eingabeseite in Fluidströmungsverbindung steht mit dem Austragende des Mischextruders zur Aufnahme von Extrudat von diesem, wodurch das Extrudat als eine bahnförmige Vorform gebildet wird mittels Durchlaufs durch den Walzspalt zwischen den Walzen, und ferner umfassend eine Abtrenneinrichtung nahe der Ausgabeseite des Walzenpaares zum Schneiden der Vorformbahn in gewünschte Längen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der ein Pendelmittel positioniert ist zum Aufnehmen einer vorgeformten Masse von der Präformeinrichtung; und eine Druckformmaschine nahe dem Pendelmittel, welches Pendelmittel reversibel beweglich ist zwischen der Präformeinrichtung und der Kompressionsformmaschine zum Aufnehmen von Vorformlingen von der Präformeinrichtung und Übergabe derselben zu der Kompressionsformmaschine.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schnecke des Harzextruders und die Leistungsschnecke des Mischextruders von unterschiedlichen Größen sind und unterschiedliche Volumenströmungskapazitäten besitzen.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der getrennte Kraftantriebsmittel unabhängig voneinander in Antriebsverbindung mit der Schnecke des Harzextruders und der Leistungsschnecke des Mischextruders stehen für den Antrieb der Schnecke und der Leistungsschnecke mit vorbestimmten Drehzahlen, wodurch die Schnecke des Harz extruders und die Leistungsschnecke des Mischextruders unabhängig voneinander steuerbar sind.

13. Ein Verfahren für das Mischen von Verstärkungsfasern mit einem thermoplastischen Harz in einer Vorrichtung, umfassend einen Harzextruder (4) mit einer drehbaren Extruderschnecke (12), die sich darin erstreckt, und mit einem Mischextruder (8) mit einem Lauf, der ein Einlaßende (8a) und ein Austragende (86) des Mischextruders aufweist, und einer langgestreckten Leistungsschnecke (52), die sich innerhalb des Laufs zwischen dem Einlaßende (8a) und dem Austragende (8b) desselben erstreckt, welches Verfahren umfaßt

Drehantrieb der Extruderschnecke (12) und der Leistungsschnecke (52) mit vorbestimmten Drehzahlen;

Einspeisen diskreter Längen von Verstärkungsfasern in den Mischextruder (8) an einer ersten Einlaßöffnung (62) an dem Einlaßende (8a) des Laufs und mechanisches Bearbeiten und Erhitzen der Fasern, während sie kontinuierlich eingeschlossen sind innerhalb des Einlaßendes des Laufs durch die Leistungsschnecke;

Einführen von thermoplastischem Harzmaterial in den Harz extruder (4) und Erhitzen und Aufschmelzen des Harzmaterials durch die Rotationswirkung der Extruderschnecke (12) zur Bildung einer fluiden geschmolzenen Masse von thermoplastischem Harz; und

Einspeisen des geschmolzenen thermoplastischen Harzes unter Druck aus dem Harzextruder (4) in den Mischextruder (8) an einer zweiten Einlaßöffnung (46a) an dem Einlaßende (8) des Laufs stromab von der ersten Einlaßöffnung (62) zwischen der ersten Einlaßöffnung (62) und dem Austragende (8b) des Laufs, und Bewegen der mechanisch bearbeiteten und behandelten Fasern durch die Leistungsschnecke hinter die zweite Einlaßöffnung (46a), und dadurch Bilden eines homogenen Gemisches von thermoplastischem Harz und diskreten Längen von Verstärkungsfasern in dem Mischextruder durch die Rotationswirkung der Leistungsschnecke (52) sowie Austrag des homogenen Gemisches von dem Austragende (8b) des Mi schextruders.

14. Das Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Verstärkungsfasern in den Mischextruder in diskreten Längen von mindestens 2,54 cm (ein Zoll) eingesetzt werden.

15. Das Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, ferner umfassend: Austrag des Gemisches aus thermoplastischem Harz und Fasern vom Austragende des Mischextruders in eine Präformeinrichtung als geschmolzene Masse und Formen des Gemisches in eine vorgeformte Masse vorbestimmter Größe und Form.