DE2735538A1

DE2735538A1 - Profile aus faser-verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE2735538A1
Application number: DE19772735538
Authority: DE
Inventors: Rolf-Joachim Dr Foerster; Lothar Dr Preis
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Polystal Composites GmbH
Priority date: 1977-08-06
Filing date: 1977-08-06
Publication date: 1979-02-15
Also published as: JPS5429376A; IT1105395B; EP0000734B2; EP0000734A1; US5047104A; EP0000734B1; IT7850602A0; DE2735538C2; JPS61178B2; DE2860070D1

Description

5090 Leverkusen, Bayerwerk G/Rz

Zur kontinuierlichen Herstellung von Profilen aus Paser-Verbundwerkstoffen sind eine Reihe von Verfahren bekannt. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß Halbzeuge aus organischen, anorganischen oder metallischen Pasern in der Form von Pasersträngen, Pasermatten oder Geweben von einem Vorratsgestell abgezogen, mit flüssigem Reaktionsharz imprägniert und in einer Härtungsstrecke bei gleichzeitiger Formgebung in Düsenwerkzeugen zu Profilen auegehärtet werden.

Im einzelnen unterscheiden sich die Verfahren durch die Art der Imprägnierung, die Formgebung und die Härtung. Pur die Formgebung sind Düsenkonstruktionen aus hochwertigen Werkzeugetählen üblich, die mit Dampf, Öl oder elektrisch beheizt werden und deren Gleitflächen zur Verringerung von Reibung und Verschleiß vielfach vergütete Oberflächenschichten, z. B. Hartverchromungen, aufweisen. Mit derartigen formgebenden Werkzeugen können verhältnismäßig schwierige Profile gefertigt werden. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß der Einsatz derartig komplexer Werkzeuge eine sehr genaue Abstimmung aller Systemkomponenten erfordert. Eine Reihe von Reaktionsharzen kann z. B. wegen ihrer Reaktivität oder aber aufgrund der Reibungsverhältnisse trotz der Verwendung von Trennmitteln bei den zur exakten Formgebungen erforderlichen großen Düsenlängen nicht eingesetzt werden.

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Me hohen, in den Düsen auftretenden Reibungskräfte begrenzen den Päsergehalt der Faser-Verbundwerkstoffe, sie stören die Faserorientierung und bedingen hohe Abzugskräfte. Die Verringerung der Reibung z. B. durch den Einsatz von Teflonwerkzeugen bringt neben den Vorteilen geringer Reibung und der Möglichkeit einer Mikrowellenaushärtung der Reaktionsharze jedoch gravierende Nachteile durch Formenstandzeiten, die sehr gering gegenüber denen der Stahlwerkzeuge sind.

Um die aufgezählten Nachteile beim Einsatz von Stahlwerkzeugen zumindest bei einfachen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitten zu vermindern, ist auch vorgeschlagen worden, das imprägnierte Fasermaterial mit Trennfolie zu umwickeln. Dadurch wird eine Härtung ohne weitere Formgebung in einer nachfolgenden einfachen Härtungestrecke möglich, nachteilig bei diesem Verfahren sind die Kosten und der Aufwand für das Auf- und Abwickeln der im allgemeinen nicht mehrfach verwendbaren Trennfolien und die nicht einwandfreien Oberflächen, die häufig eine Nacharbeit erfordern.

Die Umwicklung der imprägnierten Stränge mit Glasfaser-Produkten ermöglicht ebenfalls die Herstellung einfacher Profile ohne zusätzliche Formgebung. Nachteilig bei diesen Verfahren sind die schlechten Oberflächen der Profile sowie das Auftreten von Härtungsrissen selbst bei relativ kleinen Querschnitten.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Profilen aus Faser-Verbundwerkstoff en, das dadurch gekennzeichnet ist, daß kontinuierlich mit flüssigen Reaktionsharzen imprägnierte Stränge aus Faserwerkstoffen unmittelbar nach der Imprägnierung oder im Bereich einer Vorhärtungsstrecke mit verstreckten und/oder vororientierten und/ oder texturierten organischen Fasern oder Monofilen oder Gemischen aus organischen und anorganischen Fasern oder Monofilen umwickelt oder umflochten und in einer nachfolgenden Härtungsstrecke ausgehärtet werden.

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II. Beschreibung des Verfahrens

Bei dem beanspruchten Verfahren werden Faserwerkstoffe in üblicher Weise, z. B. in einem Tränkbad mit einem flüssigen Reaktionsharz imprägniert, wobei der Harzgehalt durch Düsen, Rollen o. ä. Vorrichtungen, die dem Stand der Technik entsprechen, eingestellt wird.

Die nach der Tränkung erfolgende erfindungsgemäße Umwicklung des imprägnierten Fasermaterials mit den dazu geeigneten Faoerwerkstoffen kann unmittelbar nach dem Austritt der Faseretränge aus dem Tränkbad durchgeführt werden. In manchen Fällen ist es auch vorteilhaft, die Umwicklung erst nach einem Vorhärtungsprozeß - stets aber in der flüssigen Phase des Reaktionsharzes - vorzunehmen.

Die eigentliche Härtung erfolgt auf übliche Weise z. B. durch konvektive Wärmeübertragung, Wärmestrahlung oder durch Mikrowellen in einem Heizkanal.

Für die Umwicklung der getränkten Faserwerkstoffe mit verstreckten oder vororientierten oder texturierten organischen Fasern eignen sich übliche Wickelmaschinen, ζ. Β. Diagonalwickelmaschinen wie sie zur Herstellung verstärkter Schläuche, oder Maschinen, die zur Herstellung von Isolationen im Wickel- oder im Flechtverfahren verwendet werden. Ebenso

sind Maschinen zur Umwicklung von Drähten (z.B. Gitarrensaiten) geeignet.

Das Umwickeln des getränkten Fasermaterials kann In der Form von Umfangewicklungen mit geringer Steigung vorgenommen werden. Ebenso sind Schraubenwicklungen mit in weiten Grenzen einstellbaren Steigungen möglich. Eine weitere Art der Umwicklung besteht im Aufbringen von Diagonal(Kreuz)-Wicklungen. Es eignen sich ebenso auch übliche Flechtverfahren zum Aufbringen der organischen Fasern auf die getränkten Faseretränge.

Bei der Ausführung von Schraubenwicklungen, Kreuzwicklungen oder Umflechtungen ist je nach gewünschten Eigenschaften (Effekten) die Bedeckung der imprägnierten Faserwerkstoffe

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mit den verstreckten oder vororientierten oder texturierten organischen Fasern in weiten Grenzen bis zur mehrfachen Überdeckung möglich.

Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß durch die Umwicklung mit verstreckten oder vororientierten oder texturierten organischen Pasern im Gegensatz zur Umwicklung mit anorganischen Pasern Profile mit exakten Kreisquerschnitten ohne Verwendung einer Formgebungeeinheit, z. B. einer formgebenden Düse, erzeugt werden können. Andere geometrisch einfache und exakte Querschnitteformen - z. B. Ellipsen - lassen sich durch Umwickeln von getränkten Faserwerkstoffen mit organischen Fasern erzeugen, wenn der aus dem Tränkbad austretende Strang z. B. einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist.

!leben der Möglichkeit, Profile mit geometrisch einwandfreiem Querschnitt ohne formgebende Düsen zu erzeugen, können durch das Umwickeln getränkter Stränge aus Paserwerkstoffen mit verstreckten und/oder vororientierten oder texturierten organischen Pasern auf einer Innenform ohne weitere Außenform geschlossene Hohlprofile erzeugt werden. Eine weitere Möglichkeit der Profilherstellung besteht darin, daß durch die Umwicklung eines flachen getränkten Stranges aus Pasermaterial mit verstreckten und/oder vororientierten

oder texturierten organischen Pasern in einfacher Weise Flachprofile oder Winkelprofile nur durch den Eineatz einer Rollenkalibrierung hergestellt werden können·

Durch das Fehlen formgebender Düsen ist besonders vorteilhaft eine Mikrowellenhärtung möglich, da die getränkten Faserstränge über relativ lange Strecken die Strahlung ungeschwächt absorbieren können.

Besonders interessante Möglichkeiten ergeben sich dadurch, daß zur Umwicklung der getränkten Faserwerkstoffe neben verstreckten und/oder vororientierten oder texturierten organischen Fasern auch anorganische Pasern als zusätzliche Verstärkungen^oder Pasergemische aus organischen und anorganischen Pasern zur zusätzlichen Verstärkung der Paser-Verbundwerkstoffe aufgebracht werden können. La A 18 282 _ 4 _

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Der mit der Umwicklung der getränkten Faserwerkstoffe mit verstreckten und/oder vororientierten oder texturierten organischen Fasern oder Monofilen erreichte Effekt der Formgebung beruht neben einem gleichmäßigen Aufbringen der Wicklung insbesondere darauf, daß beim Vorhärtungsoder beim Härtungsprozeß Schrumpfkräfte frei werden, die durch Anteil, Art, Streckgrad und/oder Vororientierung und/oder Texturierung und die geometrische Anordnung der organischen Fasern bestimmt werden. Die organischen Fasern werden so ausgewählt, daß die Schrumpfkräfte noch vor dem Erreichen der Gelphase des verwendeten Reaktionsharzes wirksam werden. Die auftretenden Schrumpfkräfte hängen außer von der Art des verwendeten Fasermaterials ab vom Anteil (Oberdeckung) und vom Streckgrad und/oder der Vororientierung sowie von der geometrischen Anordnung der organischen Fasern auf dem zu umwickelnden Profil. Für die zuvor genannten Beispiele der Formgebung hat sich gezeigt, daß bereits eine relativ geringe Überdeckung von etwa 12 ?ό ausreichend ißt, um die beschriebenen Effekte zu erzeugen.

Gleichzeitig wird durch die Schrumpfkräfte stets eine harzreiche Profiloberfläche erzeugt. Bei entsprechender Auswahl an Art, Menge und Anordnung des organischen Faserinaterials erhält man Profile mit einer sie völlig umschließenden Reinharzschicht, die bei anderen Fertigungsverfahreη nur durch einen zusätzlichen Fertigungsschritt erreicht werden kann.

iüiner der Vorteile eines derartigen in einem Verfahrensscbritt erzeugten Harzmantels ist die verbesserte Handhabung ohne störende Verstärkungsfasern an der Profiloberfläche· Daraus resultiert weiterhin eine wesentlich verbesserte Witterungsbeständigkeit, die üblicherweise nur durch eine zusätzliche Beschichtung mit den ihr innewohnenden Haftungsproblemen zu erreichen ist.

Die Schrumpfkräfte der organischen Fasern lassen sich zudem gesielt auch zum Erreichen hoher Fasergehalte bei nataesu idealer Längsorientierung der Verstärkungsfasern und su luftblasenfreien Profilen nutzen, die eine Weltgeld A 18 282 - 5 -

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bend homogene Paserverteilung aufweisen. Baraus ergeben sich wesentliche Erhöhungen in Modul und Festigkeiten des Profils mit deutlich verbesserter Reproduzierbarkeit dieser Werte. Bei Verfahren mit äußerer Formgebung sind derartige Fasergehalte und Festigkeiten sowie Orientierungen wegen der auftretenden Reibungskräfte nicht zu erreichen.

Durch die Umwicklung getränkter Faserwerkstoffe mit organischen Fasern wird bei vorwiegend unidlrektional verstärkten Profilen die Festigkeit quer zur Längsrichtung des Profils (Querfestigkeit) besonders deutlich verbessert. Ebenso wird durch die Umwicklung mit organischen Fasern die Kerbempfindlichkeit der auf diese V/eise hergestellten Profile erheblich herabgesetzt.

Gezielte und im allgemeinen erhebliche Verbesserungen der Biege- und Toreionssteifigkeit beliebiger symmetrischer Profile lassen sich durch das Umwickeln von getränkten Faserwerkstoffen in der Weise erreichen, daß sowohl geeignete organische Fasern als auch vornehmlich anorganische Fasern zur Umwicklung verwendet werden. Auf diese Weise läßt sich der Vorteil der Imprägnierung der zusätzlich aufgebrachten Fasern ohne weiteres Tränkbad allein durch den auftretenden Schrumpfeffekt der organischen Fasern mit dem Vorteil des Steifigkeltsgewinnee verknüpfen. Das Umwickeln mit beiden Faserarten kann in getrennten Verfahrensschritten, besonders vorteilhaft aber gleichzeitig erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auch, mehrere Einzelstränge mit verschiedenen Imprägnierharzen zu tränken, durch das Umwickeln zusammenzufassen und zu einem einheitlichen Faser-Verbundwerkstoff auszuhärten. Ein einheitlicher Faser-Verbundwerkstoff wird dabei dadurch erhalten, daß die bei der Härtung frei werdenden Schrumpfkräfte die einzelnen Faserstränge zu einem Profil mit homogener Faserverteilung, aber unterschiedlichen Matrixwerkstoffen verbinden.

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Der durch die Schrumpfkräfte der verstreckten oder vororientierten und/oder texturierten organischen Pasern an der Profiloberfläche erzeugte Harzüberschuß kann wie bereits beschrieben zur vollständigen Imprägnierung weiterer Faserwerkstoffe dienen. Damit lassen sich beispielsweise auch dekorative Profile durch die Verwendung unterschiedlich eingefärbter Faserwerkstoffe ebenso erzeugen wie profilierte Oberflächen.

Darüber hinaus kann über Art, Anteil, Streckgrad und geometrische Orientierung der organischen Fasern der Harzüberschuß so eingestellt werden, daß zusätzlich aufgebrachte Faserwerkstoffe nur teilweise imprägniert werden.

Beim zusätzlichen Umwickeln der Profile mit organischen Fasern ergeben sich durch die an der Profiloberfläche

liegenden nicht oder nur unvollständig imprägnierten Fasern einfache Möglichkeiten, eine verbesserte Verbundhaftung z. B. beim Einbetten der Profile in Thermoplaste zu erreichen. Hierzu wird das Wickelmaterial möglichst artgleich zum verwendeten Thermoplasten gewählt. Beim zusätzlichen Umwickeln der Profile mit anorganischen Fasern z. B. Glasfasern ergeben sich durch die beschriebenen Effekte besonders günstige Verhältnisse beim Einleiten von Zugkräften z. B. in Krafteinleitungselemente durch die vergrößerte Profiloberfläche, die sowohl mit einer Profilierung als auch mit unvollständig getränkten Fasern erhalten wird.

III. Werkstoffe

Das beanspruchte Verfahren eignet sich für Faser-Verbundwerkstoffe aus Glasfasern, organischen Fasern, Kohlenstoff-Fasern und Metallfasern. Die Fasern können z. B. in der Form von Fasersträngen wie Garnen, Filamentgarnen, Zwirnen, Rovings und Spinnfäden usw. oder als textiles Gewebe und/oder als Fasermatten vorliegen.

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Geeignete Matrixwerkstoffe sind z. B. Reaktionsharze wie ungesättigte Polyesterharze, Epoxidharze, Methacrylatharze, Polyurethanharze, Novolakharze, Polybismaleinimide oder auch Cyanatharze, deren Wärmetönung beim Härtungsprozeß> oder deren Härtungstemperaturen Werte überschreiten, bei denen die verwendeten organischen Pasern schrumpfen.

Als Werkstoffe zur Umwicklung der getränkten Faserwerkstoffe eignen sich verstreckte und/oder vororientierte und/oder texturierte organische Pasern oder Monofile aus Polyamiden, thermoplastischen Polyestern, Polycarbonaten, Polyacrylnitril, Modacryl, Polyolefinen, Polyvinylchlorid, Polytetrafluoräthylen, Cellulose und regenerierter Cellulose, Celluloseestern oder Polyvinylalkohol sowie Polyurethanfasern.

Die Schrumpftemperatur der organischen Pasern hängt ab vom Ausgangspolymer und von den Bedingungen bei der Faserherstellung und Verstreckung bzw. Texturierung. Die Auswahl einer geeigneten organischen Faser muß nach den Härtungsbedingungen des eingesetzten Matrixwerkstoffes erfolgen wie bereits geschrieben.

Profile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, eignen sich mit ihrer homogenen Faseranordnung, den hohen Fasergehalten und ihrer Freiheit von Hohlräumen und ähnlichen Störstellen sowie mit ihren harzreichen oder ihren Reinharzoberflächen aufgrund ihrer Festigkeiten für die Armierung von Beton als Spanndrähte oder Spannseile, wobei vorteilhaft die verbesserten Möglichkeiten zur Krafteinleitung, die verringerte Kerbempfindlichkeit und die erhöhte Querfestigkeit vorwiegend unidirektional verstärkter Profile zum Tragen kommen. Von besonderem Vorteil beim Einsatz im Freien ist die hohe Witterungsbeständigkeit der Profile durch ihre Reinharzoberfläche.

Hohe Festigkeiten und damit verbundene günstige elektrische Eigenschaften erlauben den Einsatz der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Profile auch im Elektrosektor z. B. als Festigkeitsträger in Isolatoren oder für Fahrdrahtabspannungen und im Elektromaschinenbau.

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Beispiel 1 ' /IO "

Beim Herstellen eines Rundstabes aus Glasrovings und Polyesterharz, der nur am Ende des Tränkbades durch eine einwandfreie runde Ausgangsdüse von 10 mm 0 zur Einstellung des Harzgehaltes gezogen wurde und der anschließend ohne jede weitere Formgebung in einem elektrisch beheizten Rohrofen ausgehärtet wurde, war festzustellen, daß der Stab unregelmäßig geformt war und eine rauhe Oberfläche mit teilweise freiliegenden Glasfasern aufwies. Die Abweichungen von der idealen Kreisform betrugen bis zu 10 ^. Der Glasgehalt dieses Stabes betrug 76,4 Gew.^.

Beispiel 2

Auf die gleiche V/eise imprägnierte Glasfaserstränge, die nach dem Verlassen der Ausgangsdüse des Tränkbades von 10 mm 0 und einer Länge von 5 mm mit Perlon-Filamentgarn, bestehend aus 140 Einzelfilamenten mit einem Gesamttiter von 940 dtex und einem Streckverhältnis von 1:3,2 in einer Schraubenwicklung bis zu einer Überdeckung von ca. 20 i» in einer Wickellage umwickelt wurden, ergaben nach der Härtung mit Temperaturen zwischen 140 und 180 ⁰C Rundprofile ohne Längs- und Querrisse mit weniger als 1 $ Abweichung von der Kreisform. Der Glasgehalt des Stabes nach dem Abschleifen der organischen Paser betrug 81,5 Gew.$. Die Oberfläche des so hergestellten Stabes ist glatt und hochglänzend. Die Dicke der Reinharzschicht an der Oberfläche beträgt ca. 100 um.

Beispiel 3

Ähnlich wie im Beispiel 1 wurden Glasfaserstränge mit Polyesterharz imprägniert und nach dem Verlassen des Tränkbades mit einer Ausgangsdüse von 10 mm 0 umwickelt mit E-Glas-Spinnfäden von 3100 dtex und Polyester-(PETP) Pilamentgarn bestehend aus 34 Einzelfilamenten, einem Gesamttiter von 167 dtex und einem (Ver-)Streckungsverhältnis von 1:4 zu jeweils gleichen Anteilen. Die Bedeckung wurde durch Schraubenwicklungen mit einer Steigung

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von 15° zu 100 # in einer Lage gewählt. Nach der Härtung bei Temperaturen zwischen 160 und 195 ⁰C wurde ein einwandfreies Rundprofil ohne Längsrisse erhalten. Zur Prüfung der Kerbempfindlichkeit und der Belastbarkeit senkrecht zur Profilachse sowie der Zugfestigkeit der Profile wurden einmal an ca. 15 mm langen Profilabschnitten Kerbversuche nit dem Stempel einer üblichen Biegeprüfmaschine (Spitzenradius 1 mm) und Druckversuche zwischen ebenen Platten durchgeführt, wobei die Profilachse senkrecht zur Kraftrichtung angeordnet war. Gegenüber dem nicht umwickelten Vergleichstab ergaben sich bei den Kerbversuchen um ca. 35 yo höhere Bruchlasten. Beim Druckversuch zwischen ebenen Platten wurden gegenüber dem Vergleichsstab im Durchschnitt 15 v° höhere Werte erreicht. Zugversuche in Anlehnung an DIN 53455 zeigten gegenüber einem Vergleichsstab mit ca. 1350 IlPas ca. 10 $ höhere Festigkeiten bei gleichem Querschnitt aufgrund der fehlstellenfreien Oberfläche und der gleichmäßigen Paserverteilung über dem Stabquerschnitt bei dem umwickelten Rundprofil. Die bekanntermaßen schwierige Einspannung bei der Prüfung von Faser-Verbundwerkstoffen mit derartig hohen Festigkeiten wurde hier dadurch vimgangen, daß die Rundstäbe in Vorrichtungen aus einem Kunstharzmörtel eingegossen wurden. Dabei stellte sich heraus, daß für die nichtumwickelten Stäbe wesentlich höhere Vergußlängen gewählt werden mußten, um einen Trennbruch der Glasfasern zu erreichen.

Beispiel 4

In der Art von Beispiel 1 wurden Kohlenstoff-Faserstränge in einem Harzbad getränkt und der Fasergehalt in einer Rechteckdüse mit einem Querschnitt von 20 χ 2 mm eingestellt. Nach dein Austritt des Faserbündels aus der Düse wurde der Faserstrang mit einer Kreuzwicklung unter t 75° zur Stablängsachse mit Perlongarn bestehend aus 18 Einzelfilamenten und einem Gesamttiter von 67 dtex Streckverhält nis 1:2,8 mit einer Überdeckung von etwa 30 % umwickelt und nach einer Vorhärtungsstrecke durch drei Rollenpaare kalibriert, wobei das Profil beidseitig mit silikonisiertem Papier abgedeckt war, und anschließend gehärtet. Dabei Le A 18 282 - 10 -

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wurde ein Profil mit glatter Oberfläche und abgerundeten Kanten erhalten. Es wies über der Länge Dickenschwankungen von 2 ρ auf, die Profiloberflächen waren parallel zueinander. Das Profil war vollständig frei von Längsrissen.

Beispiel 5

In ähnlicher Weise wie im ersten Beispiel wurden Glasrovings in einem Tränkbad getränkt und die getränkten Rovings in einer Hehrfachdüse bei ringförmiger Anordnung auf den gewünschten Harzgehalt eingestellt. Nach dem Verlassen der Ausgangsdüse wurden die Paserstränge über einen zylindrischen Schleppkern als Innenform geführt und im Bereich einer Vorhärtungsstrecke noch auf dem Schleppkern mit Perlon-Monofilen 0,20 mm 0 (A. 400 dtex) bei einem ütreckverhältnis von 1:4 durch Schraubenwicklungen bei einer Überdeckung von etwa 40 f* umwickelt. In der nachfolgenden Härtungsstrecke (Rohrofen) wurden die Profile bei Temperaturen zwischen 140 und 160 ⁰C ausgehärtet. Durch dieses Verfahren erhält man ohne weitere Außenform nur mit dem Schleppkern Hohlprofile, die einen geometrisch einwandfreien Innendurchmesser mit Wandstärkeschwankungen von ί 0,1 mm bei einer Wandstärke von 2 mm aufweisen. Die Oberfläche der Profile war in Längsrichtung wellig.

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Claims

Patentansprüche:

1.j Verfahren zur Herstellung von Profilen aus Faser-Verbundwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich mit flüssigen Reaktionsharzen imprägnierte Stränge aus Faserwerkstoffen unmittelbar nach der Imprägnierung oder im Bereich einer Vorhärtungsstrecke mit verstreckten und/oder vororientierten und/oder texturierten organischen Fasern oder Monofilen oder Gemischen aus organischen und anorganischen Fasern oder Monofilen umwickelt oder umflochten und in einer nachfolgenden Hartwigsstrecke ausgehärtet werden.

2. Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß getränkte Stränge aus Faserwerkstoffen nach Anspruch 1 auf einer Innenform mit verstreckten bzw. vororientierten und/oder texturierten organischen Fasern oder organischen und anorganischen Fasern bzw. Gemischen aus anorganischen und verstreckten organischen Fasern umwickelt werden und ohne weitere Außenform zu geschlossenen Hohlprofilen gehärtet werden.

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