DE19527691A1 - Verfahren zur Herstellung von Formteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus thermoplastischem Werkstoff, wobei ein auf Verformungstemperatur erwärmtes, plattenförmiges Halbzeug randseitig eingespannt und durch Einwirkung von Verformungskräften zu dem Formteil verformt wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus dem Stand der Technik sind zum Thermoformen oder Tiefziehverfahren Hinweise im "Lexikon der Technik" Lueger, Band 9, Stichwort "Warmfor­ men" und im "Kunststoff-Lexikon", herausgegeben von Dr. K.Steckert, 7. Auflage, Seite 550 ff zu benennen. Die dort beschriebene Methode des Tiefziehens von zuvor hergestellten Kunststoff-Bandabschnitten hat den zentralen Nachteil extremer Wanddicken-Unterschiede, die durch das Her­ stellungsverfahren bedingt sind. Ausgehend von den randseitigen Ein­ spannbereichen wird das Kunststoff-Halbzeug über die Konturen des eigentlichen Formwerkzeugs gezogen, wobei der Querschnitt des Halbzeugs insbesondere über Erhöhungen oder in Tälern der Form mitunter extrem verringert wird. Um solche extremen Dünnstellen im ausgeformten Form­ teil zu vermeiden, müssen bei diesem Verfahrensvorgang Kunststoff-Halb­ zeuge mit verhältnismäßig hohen Wanddicken eingesetzt werden, was einen hohen Materialverbrauch und gleichzeitig erhöhte Kosten mit sich bringt. Weiterhin entstehen durch dieses Verfahren lange Zykluszeiten, da die dicken Materialabschnitte über die Eingabetemperatur hinaus in der Tiefziehmaschine noch auf die Umformtemperatur aufgeheizt werden müssen, bevor die eigentliche Verformung stattfinden kann.

Aus der DE 32 20 954 C2 ist ein Verfahren zum fortlaufenden Preßformen von dünnen Platten aus Kunststoff bekannt. Hierbei wird ein geschmolze­ ner Kunststoff fortlaufend extrudiert und synchron mit dem Extruder zu einer Kunststoffbahn geformt. Die Kunststoffbahn wird danach in Ab­ schnitte bestimmter Längen geschnitten und die noch temperierten Ab­ schnitte werden schrittweise einer Preßformmaschine zugeführt.

Vor dieser Preßformmaschine werden die Abschnitte auf eine für das Preßformen notwendige Temperatur gebracht, anschließend werden sie in die Preßformmaschine transportiert und dort preßgeformt.

Bei diesem Verfahren werden sehr hohe Werkzeugkosten fällig, da für das Preßformverfahren jeweils eine voll ausgeformte Matrize und eine eben­ solche Patrize erforderlich sind. Auch muß hier eine hydraulische Presse eingesetzt werden, über die neben der Preßkraft auch die ent­ sprechende Verformungstemperatur auf das Halbzeug während des Verfor­ mungsvorgangs aufgebracht wird, wodurch die Maschinenkosten erheblich ansteigen.

Hier setzt die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gestellt hat, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Warmformverfah­ ren von plattenartigen Kunststoff-Halbzeugen anzugeben, bei dem dünne Kunststoffplatten bzw. Folien eingesetzt werden können, und bei dem nur geringe Wanddickenunterschiede bei der Verformung entstehen, die bei einer späteren Benutzung der verformten Teile nicht negativ ins Gewicht fallen. Erfindungsgemäß werden dazu die nachfolgenden Verfahrens­ schritte vorgeschlagen:

• 1. Das temperaturerweichte Halbzeug wird über ein höhenverstell- und/oder um beliebige Achsen schwenkbares Formwerkzeug gefördert.
• 2. Danach erfolgt eine mechanische Annäherung und ein zunehmendes spannungsarmes Anlegen des Halbzeugs an die Kontur des Formwerk­ zeugs.
• 3. Anschließend wird das Halbzeug an der Formwerkzeugkontur ausgeformt
• 4. Die Ausformung wird durch Vakuumkräfte, die aus Öffnungen des Form­ werkzeugs wirken, oder durch Gasdruck, der von der Gegenseite des Halbzeugs auf das Formwerkzeug drückt, oder eine Kombination beider Möglichkeiten unterstützt.
• 5. Nach Abschluß des Formvorgangs wird das Formteil abgekühlt und von dem Formwerkzeug abgenommen.

Die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber dem bekannten Tiefziehver­ fahren liegen in den geringen Reckverhältnissen bei der Verformung der plattenförmigen Halbzeuge. Hieraus leitet sich eine verhält­ nismäßig gleichmäßige Wanddicke des Endproduktes ab. Dadurch be­ dingt, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vergleichsweise dünne, plattenförmige Halbzeuge oder Folien verarbeitet werden, da extreme Wandverdünnungen durch große Reckungen nicht zu befürchten sind. Die Aufheizzeiten verkürzen sich. Der Materialverbrauch sinkt.

Bei der Förderung des temperaturerweichten Halbzeugs über das Form­ werkzeug ist es unerheblich, ob die Gewichtskräfte des Halbzeugs durch eine Unterlage ähnlich einem Förderband, durch Aufspannen oder durch Aufliegen an seinem Rand, durch stützenden Gasdruck oder durch Anlegen von Vakuum aufgefangen werden. Bei der Annäherung und dem zunehmenden Anlegen des Halbzeugs an die Kontur des Formwerkzeugs können sowohl das Halbzeug als auch das Formwerkzeug oder beide bewegt werden, um diese Annäherung zu erreichen. Wird ein li­ near bewegtes Förderband zur Lieferung des Halbzeugs an das Form­ werkzeug verwendet, so kann der Linearbewegung des Förderbandes eine Hub- und Schwenkbewegung des Formwerkzeugs überlagert sein.

In einer selbständigen Ausführungsvariante wird das temperaturer­ weichte Halbzeug in planer Erstreckung über eine Form mit einem höhenverstell- und/oder verschwenkbaren Formwerkzeug gefördert. Da­ nach wird der Rand des Halbzeugs in einem Rahmen, der als Klapp­ rahmen ausgebildet sein kann, fixiert. Dieser Klapprahmen verfügt über eine oder mehrere Klappachsen, wobei sich die Elemente des Klapprahmens um die Klappachsen bewegen und dabei das Halbzeug der Kontur des Formwerkzeugs annähert. Das Formwerkzeug kann dabei in einer überlagerten Hub- und/oder Schwenkbewegung so bewegt werden, daß das Halbzeug zunächst an einzelnen Stellen am Formwerkzeug anliegt. Das Halbzeug selbst bedeckt dabei zunehmend und span­ nungsfrei das Formwerkzeug. Anschließend erfolgt die Ausformung des Halbzeugs an der Kontur des Formwerkzeugs, wobei Vakuumkräfte und/oder Gasdruck zur Unterstützung des Ausformvorgangs dienen. Nach Abschluß des Formvorgangs wird dann das Formteil abgekühlt und von dem Formwerkzeug abgenommen.

Bei der Verwendung dieses Klapprahmens kann auf die Linearbewegung des Förderbandes verzichtet werden. Nachdem bei der Klapprahmen- Version das Halbzeug in etwa um das Formwerkzeug gefaltet wird, kann auch die überlagerte Hub- und/oder Schwenkbewegung des Form­ werkzeugs verringert oder ganz eingestellt werden. Die Verwendung des Klapprahmens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt damit eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses dar.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß das Halbzeug kontinuier­ lich durch eine mitlaufende Heizung und auch während des Fördervor­ gangs über das Formwerkzeug und/oder auch während des Auflegens auf das Formwerkzeug in dem temperaturerweichten Zustand gehalten wird.

Nach dem Zurückfahren des Förderelementes und dem erfindungsgemäßen Herstellen des Formteils wird das Formteil auf dem Formwerkzeug ab­ gekühlt, von einer dreidimensionalen Oberform übergriffen und abge­ nommen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen der Formteile aus thermoplastischem Werkstoff besteht aus einem Förderelement, einer Heizeinrichtung und einem Formwerkzeug zur Verformung des Halb­ zeugs. Das Förderelement und die Heizeinrichtung sind unter Bildung eines einstellbaren Höhenabstandes jeweils axial beweglich, wobei die axialen Bewegungen synchron oder in Gegenrichtung zur Bewe­ gungsrichtung des Förderelements verlaufen.

Hierbei ist es erforderlich, daß die Bewegungsabläufe bis zur Fixierung des freien Halbzeugrandes am freien äußeren Rand der Form synchron verlaufen, und daß danach eine gegenläufig zur Förder­ richtung verlaufende Bewegung von Förderelement und Heizung erfolgt.

Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, daß das Formwerkzeug an die Bewegungsabläufe des Förderelements ge­ koppelt ist und gegen die Oberform schließt, sobald das Förderelement den Raum oberhalb der Form freigegeben und das Formwerkzeug mit dem Formteil den obersten Punkt des Verschiebeweges erreicht hat.

In der Zeichnung ist der Arbeitsablauf des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens und der Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sche­ matisch dargestellt; es zeigt:

Fig. 1 den Formprozeß mit Bewegungsabläufen des Förderbandes und des Formwerkzeugs

Fig. 2 den Formprozeß mit Klapprahmen.

In Fig. 1 zeigt Pos. 1 das Förderelement 1 und die synchron laufen­ de Heizeinrichtung 2. Beide Vorrichtungsteile 1, 2 bilden zueinan­ der einen einstellbaren Höhenabstand A, der ein ungehindertes Durchlaufen des aus der nicht gezeigten Extrudereinheit extrudier­ ten Halbzeugs 5 erlaubt. Das Werkzeug 3 und die Einheit von Förder­ element 1 und Heizeinrichtung 2 sind zueinander horizontal beweg­ lich. Zudem ist das Werkzeug 3 gegenüber dieser horizontalen Bewegungsachse auch höhen- und schwenkbeweglich angeordnet.

Im Bereich des freien Schenkels 30 des Formwerkzeugs 3 befindet sich ein Verriegelungselement 301, welches bis zur Anlage an den freien Schenkel 30 verfahren werden kann. Oberhalb des Formwerk­ zeugs 3 ist die Oberform 4 angedeutet, deren Kontur 41 der Kontur 31 des Formwerkzeugs 3 entspricht.

Auf dem Förderelement 1 ist das Halbzeug 5 angedeutet, welches in der gezeigten Darstellung einen geringfügigen überstand in Richtung auf das Formwerkzeug 3 besitzt.

In Pos. 2 ist das Formwerkzeug 3 rechtwinkelig derart unter das Förderelement 1 verschwenkt, daß der freie Schenkel 30 das über­ stehende Ende des Halbzeugs 5 aufnehmen kann. Das Verriegelungsele­ ment 301 ist in dieser Position noch nicht geschlossen.

Die Pos. 3 zeigt das geschlossene Verriegelungselement 301, welches in dieser Position auf den freien Schenkel 30 des Formwerkzeugs 3 aufgefahren ist und dort das freie Ende des Halbzeugs 5 festlegt. Förderelement 1 und Heizeinrichtung 2 werden nach dieser Befesti­ gung des freien Endes des Halbzeugs 5 in Pfeilrichtung nach links verfahren und das Formwerkzeug 3 bewegt sich dabei synchron in Pfeilrichtung nach oben.

Das Förderelement 1 behält bei diesem Bewegungsvorgang die dazu ge­ genläufige Förderbewegung bei. Mit Hilfe dieser gegenläufigen För­ derbewegung des Förderelements 1 wird das Ablegen des Halbzeugs 5 auf der Kontur 31 des Formwerkzeugs 3 unterstützt. Mit Beginn der rückläufigen Bewegung von Förderelement 1 und Heizeinrichtung 2 bei gleichzeitig gegenläufiger Förderbewegung des Förderelementes 1 beginnt gemäß Pos. 3 die Höhenverschiebung des Formwerkzeugs 3, die in Pos. 4 ihren Endzustand erreicht hat. Damit endet auch die seitliche Bewegung von Förderelement 1 und Heizeinrichtung 2, wie zu Pos. 3 beschrieben. Mit diesem Bewegungsablauf ist das Formwerk­ zeug 3 der Ablegebewegung des Halbzeugs 5 entgegengekommen. Das im temperaturerweichten Zustand befindliche Halbzeug 5 hat sich dabei der Kontur im vorderen Bereich des Formwerkzeugs 3 bereits ange­ paßt.

In Pos. 5 ist der Beginn der Schwenkbewegung des Formwerkzeugs 3 dargestellt, der sich an den Bewegungsvorgang der Pos. 4 an­ schließt. Dabei wird das Halbzeug 5 zunehmend an die bisher freien Umfangsflächen der Kontur 31 des Formwerkzeugs 3 weiter angelegt. Das Förderelement 1 fördert dabei das Halbzeug 5 weiter in Richtung auf das Formwerkzeug 3.

In Pos. 6 nähert sich die Schwenkbewegung des Formwerkzeugs 3 ihrem Endpunkt und das Halbzeug 5 bedeckt nunmehr die volle Kontur 31 des Formwerkzeugs 3. Dieses Anlegen wird unterstützend durch Vakuum­ kräfte herbeigeführt, die aus in der Darstellung nicht gezeigten Öffnungen des Formwerkzeugs 3 auf das Halbzeug 5 einwirken. Diese Kräfte können andererseits auch durch von der Gegenseite her ein­ wirkenden Gasdruck aufgebracht werden.

Gemäß Pos. 7 senkt sich nach dem vollständigen Abschluß des Bewe­ gungsvorgangs des Formwerkzeugs 3 nunmehr die Oberform 4 auf das Formwerkzeug 3 ab. Die Kontur 41 der Oberform 4 ist konturengleich zur Kontur 31 des Formwerkzeugs 3 gestaltet. Die Oberform 4 nimmt gemäß Pos. 8 das Formteil 6 von der Kontur 31 des Formwerkzeugs 3 und gibt dieses Formteil 6 danach zur weiteren Bearbeitung frei. Die Oberform 4 und das Formwerkzeug 3 fahren danach in die Position 1 zurück und der geschilderte Verfahrensablauf kann danach erneut einsetzen.

Das Formteil 6 kann mit diesem Verfahren mit hoher Leistung und insbesondere mit nahezu gleichmäßigen Wanddicken hergestellt wer­ den. Dadurch verringert sich der Materialverbrauch bei der Form­ teilherstellung entscheidend. Ausschlaggebend für die vorteilhafte Herstellung des Formteils 6 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch die geringfügige Reckung des Halbzeugs 5 durch den geschil­ derten Verfahrensablauf.

In Fig. 2 zeigt die Pos. 1 das temperaturerweichte Halbzeug 5, welches in Förderrichtung des Pfeiles auf den Klapprahmen 10 mit seinem Klapp­ achsen 11 verfahren wird. Unterhalb des Klapprahmens 10 ist das Werk­ zeug 3 in Warteposition geparkt. Die Anzahl der Klappachsen 11 kann im Bedarfsfall beliebig erhöht werden.

Pos. 2 zeigt das Halbzeug 5 auf dem Klapprahmen 10 mit seinen Klapp­ achsen 11, wobei das Werkzeug 3 weiterhin in Wartestellung unterhalb dieser Kombination verharrt.

In Pos. 3 ist das Werkzeug 3 mit einer in Pfeilrichtung verlaufenden Hubbewegung gegen den Klapprahmen 10 gefahren, der entsprechend der Werkzeugkontur in seinen Klappachsen 11 abgeklappt ist und das tempera­ turerweichte Halbzeug 5 an den Klappachsen 11 im Verlauf der Abwinke­ lung vorverformt.

In Pos. 4 ist das temperaturerweichte Halbzeug zur Endausformung auf die Kontur des Formwerkzeugs 3 abgelegt worden. Der Klapprahmen 10 mit seinen Klappachsen 11 wird danach wieder in die Ausgangsposition 1 zu­ rückverfahren und dient zur Aufnahme eines neuen Halbzeugstreifens. Das temperaturerweichte Halbzeug 5 wird an die Oberflächenkontur des Form­ werkzeugs 3 durch Vakuumangriff von innen oder Gasdruck von außen kon­ turengleich angepaßt. Danach wird das Halbzeug 5 wie zu Fig. 1 be­ schrieben, vom Formwerkzeug 3 abgenommen und der weiteren Bearbeitung zugeführt.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Klapprahmens mit seinen Klappachsen ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung von dreidimen­ sionalen Formteilen mit annähernd gleicher Wanddicke, bezogen auf das gesamte Formteil. Diese Formteilherstellung erfolgt bei der geschilder­ ten Variante ohne aufwendige Maschinentechnik zur Verschwenkung und Achsverschiebung von Werkzeugteilen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus thermoplastischem Werkstoff, wobei ein auf Verformungstemperatur erwärmtes platten­ förmiges Halbzeug randseitig eingespannt und durch Einwirkung von Verformungskräften im Formteil verformt wird, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:

• - Das temperaturerweichte Halbzeug wird über ein Förderelement in planer Erstreckung über ein höhenverstellbares - und/oder schwenkbares Formwerkzeug gefördert.
• - Danach wird der Halbzeugrand am freien äußeren Rand der Form fixiert.
• - Das temperaturerweichte Halbzeug wird dann von dem Förderelement unter Beibehaltung der Förderbewegung bei kontinuierlich zurück­ fahrendem Förderelement abgegeben und auf das Formwerkzeug abge­ legt.
• - Das Formwerkzeug wird dabei in einer überlagerten Hub- und Schwenkbewegung so bewegt, daß das Halbzeug bis zur Mantellinie des Formwerkzeugs geführt wird.
• - Das Halbzeug bedeckt dabei zunehmend und spannungsarm kontur­ entsprechend das Formwerkzeug.
• - Das Anlegen wird über Vakuum und/oder Gasdruckkräfte unter­ stützt, die aus Öffnungen des Formwerkzeugs auf das Halbzeug einwirken.
• - Nach Abschluß des Formvorgangs wird das Formteil abgekühlt und von dem Formwerkzeug abgenommen.

2. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus thermoplastischem Werkstoff, wobei ein auf Verformungstemperatur erwärmtes platten­ förmiges Halbzeug randseitig eingespannt und durch Einwirkung von Verformungskräften zu einem Formteil verformt wird, gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte:

• - Das temperaturerweichte Halbzeug wird in planer Erstreckung über eine Form mit einem höhenverstell- und/oder schwenkbaren Form­ werkzeug gefördert.
• - Danach wird der Halbzeugrand in einem Klapprahmen fixiert, wel­ cher über ein oder mehrere Klappachsen verfügt.
• - Das Formwerkzeug wird dabei in einer überlagerten Hub- und/oder Schwenkbewegung derart bewegt, daß das Halbzeug an einzelnen Be­ reichen des Formwerkzeugs anliegt.
• - Das Halbzeug bedeckt dabei zunehmend und spannungsfrei das Form­ werkzeug.
• - Die Endausformung des Halbzeugs an der Kontur des Formwerkzeugs erfolgt durch Vakuumkräfte oder Gasdruck.
• - Nach Abschluß des Formvorgangs wird das Formteil abgekühlt und von dem Formwerkzeug abgenommen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug kontinuierlich auf das Förderelement aufgebracht und durch eine mitlaufende Heizung auch noch während des Fördervorgangs über das Formwerkzeug und/oder auch während des Auflegens auf das Formwerkzeug in dem temperaturerweichten Zustand gehalten wird.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das abgekühlte Formteil auf dem Formwerkzeug von einer dreidimensiona­ len Oberform übergriffen und abgenommen wird.

5. Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus thermoplastischem Werkstoff zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 oder 2, bestehend aus einem Förderelement (1), einer Heizeinrichtung (2) und einem Formwerkzeug (3) zur Verformung eines Halbzeugs (5), da­ durch gekennzeichnet, daß das Förderelement (1) und die Heizein­ richtung (2) unter Bildung eines einstellbaren Höhenabstandes (A) axial bewegbar sind, und daß die relativen Bewegungen von Förderelement (1) und Heizeinrichtung (2) synchron oder in Gegenrichtung zur Bewegungsrichtung des Förderelements (1) verlaufen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewe­ gungsabläufe bis zur Fixierung des freien Randes des Halbzeuges (5) am freien äußeren Rand (301) des Formwerkzeugs (3) synchron verlau­ fen, und daß danach die Heizeinrichtung (1) und das Förderelement (2) gegenläufig zur Bewegungsrichtung des Förderelementes (1) be­ wegbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Form­ werkzeug (3) an die Bewegungsabläufe von Förderelement (1) und Heizelement (2) gekoppelt ist und gegen die Oberform (4) schließt, sobald das Verbundbauteil (1 + 2) den Raum zwischen Formwerkzeug (3) und Oberform (4) freigegeben und das Formwerkzeug (3) mit dem Formteil (6) den Endpunkt der überlagerten Hub- und Schwenkbewegung erreicht hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das För­ derelement (1) das Halbzeug (5) auf einem Klapprahmen (10) ablegt, welcher mit wenigstens einer Klappachse (11) versehen ist, und daß über die Hubbewegung des Formwerkzeugs 3 der Klapprahmen über die Klappachsen (11) das Halbzeug (5) in gegenläufiger Bewegungsrich­ tung über der Kontur des Formwerkzeugs (3) einfaltet.