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Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen
Herstellen von Formteilen durch Tiefziehen
Es ist bekannt, Behälter, Dosen, Becher, Schalen od. dgl. und die zugehörigen Deckel aus Kunststoff für die verschiedensten Zwecke aus einer Kunststoff-Folie im Tiefziehverfahren herzustellen. Zu diesem Zweck werden kleinere oder grössere Folienabschnitte kalt oder in angewärmtem Zustand auf die Matrize einer Ziehform aufgelegt und hydraulisch, durch Anwendung von Druck- oder Saugluft oder mechanisch mittels eines Ziehstempels in die Formausnehmung der Matrize hineingezogen. Nach Beendigung des Ziehvorganges wird die Form geöffnet und der, Folienabschnitt, der nun die Form der Matrize aufweist, entnommen. Die fertigen Formlinge werden gewonnen, indem die Formteile entlang ihrer äusseren Begrenzungslinien aus dem Folienabschnitt ausgestanzt werden.
Diese Arbeitsweise erfordert immer eine Ziehform und ein Stanzwerkzeug und ist in ihrer zeitlichen Leistung beschränkt, weil das Zuschneiden der zu verarbeitenden Folienabschnitte, das Aufheizen und Verformen sowie der Transport des Ziehlings von der Ziehform in die Stanzpresse verhältnismässig viel Zeit erfordern und ohne verhältnismässig grossen apparativen Aufwand kaum automatisiert werden können.
In der deutschen Patentschrift Nr. 363426 ist ein Pressverfahren beschrieben, nach dem gemäss den Ausführungen auf Seite 2, Zeile 20-37, eine zugeführte und angewärmte Zelluloidplatte sofort mittels eines Stanzmessers auf Format geschnitten und anschliessend diese Platte zwischen Stempel und Formplatte verformt wird, wobei der Formling nochmals am Rand mit andern biegsamen Messern beschnitten und dann vom Stempel abgestreift wird. Dieses Verfahren ist kein Tiefziehverfahren, sondern ein Pressverfahren.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Formteilen durch Tiefziehen von thermoplastischen Kunststoff-Folien, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Folienbahn absatzweise zugeführt und zunächst im Randumfang des herzustellenden Ziehlings mechanisch angekerbt wird, wonach in der gleichen Wärme der Ziehvorgang ausgeführt, die angekerbte Randzone des Ziehlings bis zur Sprödigkeit abgekühlt und der Ziehling unter Herausbrechen aus der Folienbahn aus der Form ausgestossen wird, wobei zweckmässig die Ankerbung der Folienbahn von der mit einer entsprechend gestalteten Oberfläche versehenen Ziehmatrize in einer ersten Bewegungsphase derselben ausgeführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens mit Einrichtungen zum absatzweisen Vorschub und zur Beheizung einer laufend zugeführten Folienbahn, einer Ziehplatte und Formverschlussplatte mit darin auswechselbar gelagerten Zieh-und Stanzwerkzeugen mit gefederten punktförmigen Abdrängern für den Ziehling in der Ziehform, eine von einem gemeinsamen Antriebsaggregat betätigte Verschiebeeinrichtung für die Zieh- und Stanzwerkzeuge und elektrisch betätigte Steuereinrichtungen zum Auslösen der einzelnen Arbeitsvorgänge, die dadurch gekennzeichnet ist, dass innerhalb der Ziehform eine Ankerb-Einrichtung, bestehend aus einem Kerbring und einer Kerbgegenkante, angeordnet ist.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird eine Folienbahn aus einem thermoplastischen Kunststoff, z. B. eine Polyvinylchlorid-Hartfolie, absatzweise zugeführt und vor Eintritt in das Bearbeitungwerkzeug bis zum Erweichen vorgewärmt, dann entlang des Umfanges des herzustellenden Ziehlings mechanisch angekerbt und in der gleichen Wärme in einer Ziehform hydraulisch oder mechanisch oder unter
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gleichzeitiger oder aufeinanderfolgender Anwendung beider Arbeitsmittel tiefgezogen. Die Abkühlung der Randzone wird durch die Berührung mit den Kerbkanten erzielt, während das Abkühlen des Ziehlings im Formwerkzeug erfolgt.
Der Ziehling wird schliesslich entlang der durch Abkühlung versprödeten Kerbzone aus der Folienbahn herausgebrochen und aus der Form ausgeworfen. Zweckmässig steuert man dabei den Vorschub und die Beheizung der Folienbahn in Abhängigkeit von dem Erweichungsgrad, den sie unmittelbar vor Eintritt in die
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diese Weise ist gewährleistet, dass bei jedem Vorschubtakt der jeweils in die Bearbeitungszone geförderte Teil der Folienbahn den gleichen, vorher entsprechend dem verarbeiteten Folientyp und der Art und Grösse der Ziehform festgelegten Weichheitsgrad besitzt und die Formlinge infolgedessen in völlig gleichmässiger Beschaffenheit anfallen.
Wenn, wie in der weiters beschriebenen Ausführungsform die Beheizung der Folie in voller Heizungs- stärke erfolgt, kann als Schutz, insbesondere bei Störungen oder Unterbrechungen des Maschinentaktes durch Vermittlung einer die Folienbahn abtastenden Sonde ein Kaltluftvorhang mit Laminar-Strömung zwischen Heizelement und Folienbahn gelegt werden. Diese Strömung kann durch Pressluft erzeugt werden und dient dazu, mit der in Abhängigkeit vom Druck regulierbaren austretenden Luftmenge die Folientemperatur auf der für die Verarbeitung notwendigen Temperatur zu halten und ein Verbrennen oder Abschmelzen der Folienbahn durch Überhitzung zu verhindern. Im automatischen Betrieb ist zweckmässig die Abtastsonde mit dem Schrittschaltwerk gekuppelt, das die neue Schaltkaskade und den neuen Arbeitszyklus auslöst.
Zweckmässig wird die Ankerbung der Folienbahn entlang der Umfangslinie des herzustellenden Formlings in der Ziehmatrize vorgenommen, die zu diesem Zweck an ihrer Oberkante entsprechend gestaltet ist und die Ankerbung in einer gesonderten ersten Bewegungsphase im Zusammenwirken mit einer geeigneten Kerb-Gegenkante ausführt.
Das Verfahren nach der Erfindung und die zu seiner Ausführung bestimmte Vorrichtung sind darauf ausgerichtet, dass sich, im Gegensatz zu den bisherigen Methoden der spanlosen Verformung, die Vorgänge zur Bildung des Formteils als genau abgestufte Einzelvorgänge aneinanderreihen. Beim Tiefziehen im Bereich der elastischen Dehnung des Folienmaterials laufen hintereinander folgende Vorgänge ab :
1) Anheizen zum Temperaturbereich der elastischen Dehnbarkeit,
2) Vorschub,
3) Ankerben,
4) Ziehen und Verstrecken,
5) Anpressen des gezogenen Materials an kalte Wandungen zum Erstarren,
6) Öffnen des Werkzeuges,
7) Abtrennen des Ziehlings,
8) Auswerfen des Ziehlings.
In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung im senkrechten Schnitt, ohne eingesetzte Ziehform, Formverschlussplatte und Ankerb-Einrichtung. Fig. 2 zeigt einen Schnitt in der Ebene C-D von Fig. l, Fig. 3 den Schnitt in der Ebene G-H, Fig. 4 den Schnitt in der Ebene E-F mit eingespannter Ziehform, Formverschlussplatte und Ankerb-Einrichtung. Fig. 5 stellt im waagrechten Schnitt die zusammenhängenden beweglichen und festen Teile in Fig. 4 dar.
Die ganze Vorrichtung ist in einem Gestell angeordnet, das aus dem Winkelrahmen-Unterteil l, dem Winkelrahmen-Oberteil 2, der Querstrebe 3 mit den Längsholmen 4 und deren Verlängerungsstücken oder Auslegern 5 und Säulenführung 6 gebildet ist. Die Ausleger 5 dienen dazu, die Folie umzulenken, wenn die Verformung nicht im Temperaturbereich der elastischen Dehnung, sondern im höheren Temperaturbereich des plastischen Fliessens ausgeführt werden soll. Das Verformen in diesem Bereich bringt mit geeigneten Folienmaterialien Vorteile in bezug auf Zieh- und Standfestigkeit. Bei dieser Art der Verarbeitung muss aber die Folie waagrecht liegen und in dieser Lage, also mit senkrechter Ziehachse, bearbeitet werden.
Die Führungsstrecke für die Folienbahn 34 besteht aus der A brollspindel 35 mit aufgeschobener
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Rolle 33 zur Aufnahme der zu verarbeitenden Folienbahn, Umlenkrollen bzw. Umleitflächen 38,72, 72,39 und Aufwickelspindel mit aufgeschobener Aufwickelrolle 40, die von einem Motor 44 über Spindelantrieb mit Rutschkupplung 43 angetrieben wird. Zur Zuleitung des ablaufenden Endes der Folienbahn zur Aufwickelspule 40 ist eine Spindelrille 41 vorgesehen.
Das Auswechseln der bewickelten Aufrollspule 40 und das Einsetzen einer neuen Leerspule erfolgt mit Hilfe der in bekannter Weise gestalteten federnden Spindelauslösung 42 (Fig. 3). Die Vorschubeinrichtung für die Folienbahn besteht aus den vertikalen Führungsstangen 20, zweckmässig als Rohre ausgebildet, um ein hydraulisches Verbindungssystem zwischen den Zylindern 27 und 28, ohne zusätzliche Leitung zu schaffen, die durch Muttern 21 mit den Querbalken 18,19 verbunden sind, Führungsrahmen 29,30, Anpressrahmen 31,
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betätigten Anpresszylindernseiner untersten Stellung dargestellt, wobei die hydraulischen Anpresszylinder 27,28 den Anpressrahmen 31,32 gegen die Widerlager 27a und 28a gedrückt halten und dabei die zwischen den Widerlagern 27a und 28a und-den Anpressrahmen 31,
32 liegende Folienbahn zwischen letzteren festhalten.
In dieser Stellung bleibt der Rahmen und die von ihm festgehaltene Folienbahn während der Dauer einer Kerb- und Ziehoperation stehen. Nachdem die Ziehoperation beendet und der Formling aus der ge- öffneten Ziehform ausgestossen ist, ziehen die Anpresszylinder 27 und 28 die Anpressrahmen 31,32 innerhalb des Führungsrahmens 29,30 zurück und geben die bisher festgehaltene Folienbahn frei. Dann wird durch die Betätigung des Vorschubzylinders 26 der ganze Vorschubrahmen um eine volle Bearbeitungslänge der Folienbahn senkrecht nach oben verschoben. Sobald er seine obere Stellung erreicht hat, treten die Anpresszylinder 27,28 erneut in Tätigkeit und schieben den Anpressrahmen 31,32 so weit gegen die Widerlager 27a und 28a vor bis die zwischen letzteren gelegene Folienbahn wieder geklemmt ist.
Nunmehr setzt durch entgegengesetzte Bewegung des Vorschubzylinders 26 die Abwärtsbewegung des Vorschubrahmens ein, der dabei die von ihr erfasste und festgehaltene Folienbahn um eine Arbeitlänge mit nach abwärts zieht also die nächste Folienzone in die Bearbeitungsstellung bringt.
Die gesamte Anordnung von Anpressrahmen und Vorschubrahmen kann gegebenenfalls auch durch Rollen ersetzt werden. Statt Anpressrahmen und Widerlager werden zwei gegeneinander pressende Rollen vorgesehen, die sich, entsprechend dem gewünschten Vorschub, weiterdrehen.
Unter Umständen kann es zweckmässig sein, die Vorschubeinrichtung für die zu verarbeitende Folienbahn als Kombination einer festen und einer beweglichen Klemmeinrichtung für die Folienbahn auszubilden.
Die Beheizungseinrichtung für die Folienbahn besteht aus dem Träger 51 mit Befestigungsschrauben 50 und Befestigungsschrauben 50a und den im einzelnen nicht dargestellten Heizstrahlern 49, beispielsweise in Gestalt eines Registers von Infrarotstrahlern, dessen Flächenausdehnung im wesentlichen mindestens der maximalen Breite der zur Verarbeitung gelangenden Folie und mindestens der maximalen Vorschubstrecke entsprechen muss, zweckmässigerweise jedoch ein Vielfaches der maximalen Vorschubstrecke betragen kann.
Wird ein einziger Strahler benutzt, dessen Höhe genau der Breite des Ziehwerkzeuges und damit der einmaligen Vorschublänge der Folienbahn entspricht, und ist der Arbeitstakt mit beispielsweise 2 sec bemessen, dann muss ein der Vorschubstrecke entsprechender Abschnitt der Folie von dem einzigen Strahler binnen 2 sec exakt auf Verarbeitungstemperatur gebracht werden. Dies erfordert eine sehr starke Strahlungsintensität mit sehr steiler Beheizungskurve, wobei die geringste Überschreitung der Taktzeit alsbald zu einem Verbrennen der Folie führen kann, während eine kleine Unterschreitung der Taktzeit zur Folge hat, dass die Folie mit einer Erwärmung unterhalb der vorgesehenen Verarbeitungstemperatur in die Arbeitsebene des Ziehwerkzeugs eintritt.
Vergrössert man dagegen durch Aneinanderreihung von fünf ein- zelnen Heizelementen die Beheizungsstrecke für die Folienbahn etwa auf die fünffache Höhe der Vorschubstrecke und ist der Arbeitstakt wieder auf 2 sec bemessen, so erfolgt die Aufheizung der Folie auf die vorgesehene gleiche Verarbeitungstemperatur nicht innerhalb eines Arbeitstaktes, sondern im Verlaufe von fünf aufeinanderfolgenden Arbeitstakten, d. h. innerhalb von 10 sec, und die Beheizungskurve kann wesentlich flacher gehalten werden. Um die Folie mit fünf hintereinander angeordneten Heizelementen beispielsweise von 20 auf 1200C zu erhitzen, braucht das einzelne Heizelement dem ihm jeweils gegen- überstehenden Folienabschnitt nur noch eine Temperatursteigerung von 200C zu liefern.
Dabei kann der erste Strahler so ausgelegt werden, dass die Folie unter seiner Wirkung im Gleichgewichtszustand, d. h. wenn sich Bestrahlungsleistung und Abstrahlverlust ausgleichen, nur eine Temperatur von wenig über 400C erreicht.
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Der zweite Strahler wird ebenso auf 60 C, der dritte auf 80 C, der vierte auf 1000C und der fünfte auf 1200C Gleichgewichtszustand eingestellt. Infolgedessen kann jede Unter- oder Überschreitung der festgelegten Taktzeit von 2 sec nur noch den fünften Teil eines gefährdenden Temperaturanstiegs oder - abfalls als bei Aufheizung mit nur einem einzigen Strahler in der Folienbahn herbeiführen. Das Heizregister strahlt seine Wärme an den eben jeweils gegenüberstehenden Flächenabsehnitt der Folienbahn ab und bringt diesen auf die vorgesehene Verarbeitungstemperatur. Innerhalb der Befestigungsschlitze können die Heizstrahler 49 einzeln in ihrer Höhe bis zu einem Winkel von etwa 300 verstellt werden.
Diese Anordnung ist insbesondere für das Herausarbeiten runder Formteile in geschachtelter Anordnung vorteilhaft, kann aber auch bei der Herstellung aller andern Formteile benutzt werden.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Ankerb-Vorrichtung D und die Ziehform E miteinander vereinigt.
Auf den Längsholmen 4 mit verlängerten Auslegern 5 sind die Vorschubführungsplatte 52 und die Frontplatte angeordnet. Mit den Säulenführungen 6 sind die Frontschliessplatte und die Endplatte 10 fest verbunden. Sie werden von Kniehebel 11 unter Einwirkung des Hydraulikzylinders 12 hin und her bewegt. Zwischen der Stützplatte 16 und der Ziehplatte 14 sind die Abstandsbolzen 15 vorgesehen. Die Verschiebung der beweglichen Teile auf den Säulenführungen 6 wird durch den hydraulisch betriebenen Hauptzylinder 17 bewirkt. Der'Hydraulikzylinder 12 ist im Punkt 12a drehbar gelagert.
Die Kolbenstange wird bei entsprechend vertikaler Stellung aus dem Zylinder 12 herausgedrückt, bei gleichzeitiger-im Schnitt nach rechts erfolgender-Kippbewegung des ganzen Zylinders bis zum Durchstecken des Kniegelenks zu einer Geraden. Die beim Ausfahren der Kolbenstange und dem Strekken des Kniehebels stattfindende Schwenkung des Zylinders 12 ist durch den Pfeil in Fig. 1 angedeutet.
In Fig. 2 erscheint im unteren Teil des Schnittes C-D die U-förmig ausgesparte Verbindungsachse des Kniehebelelements 73 in schraffierter Darstellung. Die Aussparung ist vorgesehen, damit beim Strekken des Zylinders dieser nicht vorzeitig auf den Hauptzylinder 17 auftrifft. Die seitlich dieser U-förmigenAchse in Fig. 2 sichtbaren parallelen Längsstücke sind die links und rechts angeordneten, lamellenförmig aufgebauten Hebelelemente 11.
Das Kniehebelelement ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, weil bei ihm im gestreckten Zustand der ausgeübte Druck unendlich wird. Für zahlreiche Fälle genügt aber, wenn das Kniehebelelement und der zu seiner Betätigung vorgesehene bydraulische Zylinder durch einen direkt wirkenden hydraulischen Zylinder ersetzt sind.
Die Ankerb- und ZieheinrichtungD, E besteht aus dem Zieh- und Kerbwerkzeug 62 mit Vakuumleitung 66, Kerbkantenring 63 und beweglichen Niederhalterring 65. Dieses Aggregat ist auswechselbar auf der Ziehplatte 14 befestigt. Die Stanzplatte 75 mit Kerb-Gegenkante 64 ist auswechselbar an der Frontplatte 53 befestigt. Die Formverschlussplatte und Kerbbegrenzung 68 mit Pressluftleitung 69 und gegebenenfalls Ziehkolben 70 sowie Kugelventil 71 zum atmosphärischen Ausgleich hinter dem Ziehkolben ist auswechselbar an der Formschliessplatte 7 befestigt. An den Säulenführungen 6 sind Distanzbüchsen 8 und Verschlussklappen 9 vorgesehen.
Selbstverständlich ist die Maschine nach der Erfindung nicht auf die gegenseitige räumliche Anordnung der einzelnen Elemente beschränkt, die die beschriebene Ausführungsform zeigt. Es ist nicht unerlässlich, dass die Ziehebene und die Beheizungsebene senkrecht liegen. Insbesondere kann auch die Ziehebene und mit ihr das Aggregat von Formschliessplatte, Frontplatte, Formverschlussplatte usw. waagrecht angeordnet sein, wobei dann Längsholme 4,5 und Säulenführung 6 senkrecht zu stellen sind. Das Vorschubaggregat mit Vertikalführung 20, Anpressrahmen 31,32 kann dabei noch senkrecht bleiben oder ebenfalls waagrecht angeordnet werden.
Auch die Beheizungsebene für die Vorwärmung der Folienbahn kann gegebenenfalls'schräg oder waagrecht angeordnet sein. Die in der beschriebenen Ausführungsform gezeigte senkrechte Anordnung hat sich aber im praktischen Betrieb aus verschiedenen Gründen besonders bewährt. Das Wesentliche der Erfindung ist nicht eine bestimmte, gegenseitige räumliche Anordnung der einzelnen Bauteile, sondern die Kombination und das Ineinandergreifen der Funktionen der bestimmten, als wesentlich angegebenen Bauteile. Die beschriebenen Ausführungsformen verwirklichen diese Funktionskombination und sind auch in ihrer räumlichen Anordnung abhängig.
Der elektrische Teil H der Maschine besteht aus den Luft-Öl-Magnetventilen 58, welche die ver- schiedenen bewegenden und beweglichen Organe der Maschine in Bewegung setzen. Diese Elektroventile werden elektrisch durch Schütze gesteuert. Vorzugsweise geschieht dies mittels eines Schrittschaltwerks L über acht oder mehr Verzögerungsrelais, die in ihrer Verzögerungszeit einzeln einstellbar sind. Jeder
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Stromimpuls gelangt zu zwei Kreuzschienenverteiler, von denen der eine die Impulse zum Einschalten der Schütze, der andere die Impulse für die Unterbrecher zum Ausschalten der Schütze angibt. Zum Anfahren der Maschine bedarf es eines Fremdimpulses an das Schrittschaltwerk.
Die Schütze wirken auf die Luft-Öl-Magnetventile oder Elektroventile 58, welche die verschiedenen Bewegungsorgane und bewegten Organe der Maschine in Tätigkeit setzen (abgesehen von Motor 55, der aus der Kraftstromleitung gespeist wird).
Bei sehr dünnwandigen Formlingen genügt der vorgesehene Auswerfer allein noch nicht, weil infolge statischer Aufladung des Kunststoffes die Teile an den Werkzeugen zu stark haften können. Zweckmässig werden daher. ausser dem Auswerfer, der den Ziehling ohne Deformation aus dem Werkzeug bringt, noch kleine punktförmige Abdränger vorgesehen, die mit einer schwachen Feder ausgerüstet sind. Sie sorgen dafür, dass der Ziehling von dem meist flächenartig ausgebildeten Auswerfer und damit auch aus dessen elektrischem Kraftfeld mechanisch abgedrängt wird.
Dadurch ist gewährleistet, dass jeder Formling wirklich automatisch aus dem Werkzeug herausfällt.
Beim Ziehkolben empfiehlt sich die Anordnung einer Gummiringabdichtung, damit der Kolben beim Zurückfahren nicht die eingedrungene Luft in einem gerichteten Luftstrahl auf den Ziehling bläst, wodurch unter Umständen der Ziehling wieder in die Ziehform zurückspringt, auf der er gerade ausgestossen werden soll.
Das vorliegende Verfahren eignet sich für das Tiefziehen von Platten und Folien aus allen thermoplastischen Kunststoffen, die einem Tiefziehverfahren zugänglich sind. Ausser Polyvinylchlorid und seinen Copolymeren mit oder ohne Weichmacherzusatz können beispielsweise gleichermassen nach dem erfindungsgemässen Verfahren verarbeitet werden Polyvinyliden-chlorid-Polyacrylsäureester, Polymethacrylsäure-ester, Polyacrylnitril, Polystyrol, Polyäthylen und polymere höhere Olefine, Polyisobutylen, Polyfluorolefine und Polychlorfluorolefine sowie die Copolymeren der den erwähnten polymeren Produkten entsprechenden Monomeren und Gemische der genannten Polymeren untereinander.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Formteilen durch Tiefziehen von thermoplastischen
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nächst im Randumfang des herzustellenden Ziehlings mechanisch angekerbt wird, wonach in der gleichen Wärme der Ziehvorgang ausgeführt, die angekerbte Randzone des Ziehlings bis zur Sprödigkeit abgekühlt und der Ziehling unter Herausbrechen aus der Folienbahn aus der Form ausgestossen wird, wobei zweckmässig die Ankerbung der Folienbahn von der mit einer entsprechend gestalteten Oberfläche versehenen Ziehmatrize in einer ersten Bewegungsphase derselben ausgeführt wird.