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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wölbteilen mit hoher Massgenauigkeit, durch Zugdruckumformen von mehrlagigen Metall-Thermoplast-Verbundlaminaten oder-Verbundplatten, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Durch Zugdruckumformen, beispielsweise durch Tiefziehen, können sowohl metallische als auch thermoplastische Werkstoffe verformt werden. Dabei wird, wie in Schreyer, Konstruieren mit Kunststoffen Teil 1, Carl Hanser Verlag - München 1972, Seite 100 bis 103 für die Umformung von Kunststoffen beschrieben, ein Zuschnitt aus dem betreffenden Werkstoff zwischen einem meist ringförmigen Niederhalter und dem Formunterteil federnd eingespannt, worauf der niedergehende Formstempel den aus dem Niederhalter nachgleitenden Werkstoffzuschnitt mitnimmt und unter Ausbildung der gewünschten Form in ein Formwerkzeug bzw. durch einen Ziehring drückt. Das Tiefziehen von dünnwandigen Metallblechen wird beispielsweise in der Ep-A1-0 022 211 beschrieben, wobei zur Erzielung von einwandfreien Tiefziehteilen ein zweistufiges Tiefziehverfahren angewendet wird.
Die Herstellung tiefgezogener, dünnwandiger und relativ kleiner Verpackungsbehälter mit einem Durchmesser von etwa 6 cm aus einer Verbundfolie, die aus einer 0, 04-0, 3 mm dicken Metallfolie und einer 0, 008-0, 1 mm dicken Thermoplastfolie besteht, ist beispielsweise in der DE-OS 2 250 587 und DE-OS 2 614 660 beschrieben.
Im Gegensatz zum Tiefziehen von nur aus Metall bzw. nur aus Kunststoff bestehenden Werkstücken, ist das Tiefziehen von Metall-Kunststoff-Verbunden nur bei Einhalten ganz besonderer Bedingungen möglich. In der DEOS 2 614 660 beispielsweise müssen zur Erzielung einer zufriedenstellenden Verformbarkeit ganz definierte Foliendicken für Metall und Kunststoff verwendet werden, wobei die Kunststoffolie biaxial verstreckt sein muss. In der CH-PS 629 124 wird vorgeschlagen, zur Erzielung einwandfreier Tiefziehteile am Boden der Matritze spezielle Gleitschichten, wie z. B. flüssige Gleitschichten oder eine Kugelplatte, zu verwenden.
Eine weitere bekannte Möglichkeit zum Tiefziehen von Verbundfolien wird in der DE-PS 24 51511 beschrieben, wobei in einem sehr aufwendigen siebenstufigen Tiefziehverfahren mit Hilfe von 7 teleskopartig ausgebildeten Ziehringen faltenfreie Tiefziehteile erhalten werden.
Trotz dieser einschränkenden und aufwendigen Bedingungen, die beim Tiefziehen von Metall-KunststoffVerbunden notwendig sind, lassen sich mit den bekannten Verfahren nur relativ kleine und dünnwandige Teile mit dünner Thermoplastschicht, bei denen überdies keine hohen Anforderungen an die Massgenauigkeit gestellt werden, umformen.
Eine zufriedenstellende Umformung von dickeren Metall-Kunststoff-Verbunden, insbesondere mit Thermoplastschichten von über 0, 1 mm Dicke, sowie insbesondere die Herstellung von grösseren Wölbteilen mit Radien von über etwa 100 mm kann mit den bekannten Verfahren nicht erreicht werden. Wenn das Verbundlaminat beim Tiefziehen mit zu geringem Druck vom Niederhalter festgehalten und dadurch dem Stempeldruck zu leicht nachgeben kann, treten im Formteil Falten auf. Andererseits ergeben sich bei zu grossem Druck durch den Niederhalter Risse in der metallischen Deckschicht, da das Verbundlaminat in diesem Fall dem Stempeldruck nur unzureichend nachgeben und nicht genügend nachgleiten kann.
Die Einstellung eines optimalen und definierten Druckes ist jedoch deshalb nicht möglich, da bei Anlegen von grösseren Drücken auf das Verbundlaminat die Kunststoffschicht infolge des sogenannten "kalten Flusses" unter der metallischen Deckschicht langsam weggedrückt wird, wobei sich die Druckverhältnisse dauernd ändern und nicht konstant eingestellt werden können. Ausserdem ändern sich dabei Sturktur und Eigenschaften des Verbundlaminates, das dann insbesondere bei hohen Anforderungen an die Massgenauigkeit unbrauchbar wird. Weiters treten bei den relativ hohen Drücken, die zum Festhalten des Verbundlaminates notwendig wären, zum Teil bereits schon vor dem Tiefziehen, nur durch das Einspannen allein, Deformationen des Verbundlaminats auf, die bis in den Formteilbereich reichen, wodurch dann keine einwandfreien Tiefziehteile mehr erhalten werden können.
Es war Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zu finden, bei dem die angeführten Nachteile ausgeschalten werden, und das die Herstellung einwandfreier Tiefziehteile, auch aus Verbundlaminaten grösserer Dicke und mit grösserem Durchmesser, wie sie beispielsweise für Parabolspiegel oder Parabolantennen oder für KFZKarosserieteile, wie z. B. Kotflügel eingesetzt werden können, ermöglicht. Dabei werden insbesondere im Falle der Parabolspiegel und Parabolantennen besonders hohe Anforderungen an deren Massgenauigkeit gestellt Die Lösung der Aufgabe konnte dadurch gefunden werden, dass das Verbundlaminat während des Umformens zwischen Niederhalter und Formunterteil derart eingeklemmt und festgehalten wird, dass ein kontrolliert gebremstes "Nachgleiten"möglich ist.
Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von Wölbteilen mit hoher Massgenauigkeit durch Zugdruckumformen von mehrlagigen Metall-Thermoplast-Verbundlaminaten aus mindestens einer Metallschicht und mindestens einer Thermoplastschicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verbundlamiant während des Umformens durch ein im Niederhalter und Formunterteil integriertes FederNutsystem mit einem solchen Druck festgehalten wird, dass es kontrolliert gebremst nachgleiten kann.
Während des Umformvorganges wird das Verbundlaminat durch den niedergehenden Formstempel unter Ausbildung der gewünschten Form in das Formunterteil bzw. durch einen Ziehring gedrückt. Dabei wird es durch eine am Umfang des Formrandes umlaufende Nut gezogen, in die es durch eine entsprechende, gegenüber der Nut angebrachte und in diese eingreifende Erhöhung (Feder) mit definiertem Druck gedrückt wird. Das Verbundlaminat kann dadurch nicht mehr frei, sondern entsprechend dem aufgebrachten Pressdruck nur mehr kontrolliert gebremst,
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der Kraft des Formstempel folgend, nachgleiten, wobei ein massgenaues und faltenfreie Formteil ohne Risse und im wesentlichen unter Beibehaltung der Ausgangsdicke des Verbundlaminates entsteht.
Mit Hilfe des Feder-Nutsystems wird im Vergleich zu den bisher verwendeten planen Pressflächen eine wesentlich grössere Rückhaltekraft entwickelt, sodass schon mit geringerer Niederhalterkraft die zur Erzielung einwandfreier Formteile optimalen Reibungsverhältnisse ohne Deformation des Verbundlaminats eingestellt werden können. Der optimale Druck, mit dem das Verbundlaminat im Feder-Nutsystem festgehalten wird, und bei dem es kontrolliert gebremst nachgleiten kann, also weder zu locker noch zu fest eingespannt ist, ist u. a. von der Art des Verbundlaminates, von dessen Dicke, von Form und Grösse des Werkstückes, vom Stempeldurchmesser, sowie von den Reibungsverhältnissen zwischen den verschiedenen Materialien abhängig.
Der bevorzugte Druck im Feder-Nutsystem beispielsweise bei der Herstellung eines Parabolspielgels mit einem Durchmesser von etwa 900 mm, einer Schüsseltiefe von etwa 140 mm und einer Dicke des Verbundes von etwa 6mm 180 bis 200
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Die Herstellung der für das Umformen eingesetzten Metall-Thermoplast-Verbundlaminate kann in üblicher Weise durch diskontinuierliches oder kontinuierliches Verpressen der Thermoplast- und Metallschichten erfolgen, wobei zur Erhöhung der Haftfestigkeit meist eine dazwischenliegende Haftvermittlerfolie mitverpresst wird.
Zur Herstellung von Wölbteilen werden bevorzugt symmetrisch aufgebaute Verbundlaminate, die in der Mitte eine thermoplastische Kernschicht aufweisen, welche beidseitig mit je einer metallischen Deckschicht verbunden ist, verwendet Dabei können die beiden Deckschichten aus gleichen oder aus unterschiedlichen Metallblechen oder-folien mit gleicher oder unterschiedlicher Dicke bestehen.
Erfindungsgemäss werden bevorzugt Verbundlaminate umgeformt, deren Thermoplastschicht eine Dicke von 0, 1 bis 20 mm besitzt. Besonders bevorzugt werden Verbundlaminate mit einer 2 bis 10 mm dicken Thermoplastschicht verwendet, die 3 bis 50 mal dicker als die Metallschicht ist. Diese dickeren Platten werden beispielsweise zur Herstellung von Parabolspielgeln oder-antennen, bzw. von KFZ-Karosserieteilen verwendet.
Die weniger dicken Platten bzw. Metall-Kunststoff-Verbundfolien, bei denen die Thermoplastschicht auch gleich bzw. sogar dünner als die Metallschicht sein kann, werden beispielsweise zur Herstellung geformter Antidröhnplatten verwendet.
Für spezielle Anwendungen ist es vorteilhaft, Verbundplatten mit einer elektrisch leitenden Thermoplastschicht einzusetzen, wobei die elektrische Leitfähigkeit durch Verwendung von Thermoplasten, denen beispielsweise Russ, Graphit oder ein Metallpulver zugemischt wurde, erreicht wird. Derartige Verbundplatten können z. B. zur Herstellung elektrisch beheizbarer Parabolantennen oder Verkehrsspiegeln verwendet werden, die im Freien aufgestellt sind, und die im Winter schnee- und eisfrei gehalten werden sollen. Dies geschieht durch Anlegen einer Stromquelle an Metallkontakte, die an der leitenden Thermoplastschicht angebracht sind, bzw. direkt an die metallischen Deckschichten, wodurch sich die Thermoplastschicht auf Grund des Stromflusses erwärmt und Schnee und Eis abtauen.
Die Thermoplastschicht kann aus jedem möglichen Thermoplast, wie z. B. aus Polyolefin, Polyamid, Polyester, Polykarbonat oder ABS-Harz bestehen. Bevorzugt werden Polyolefine, beispielsweise Polyethylen, Polypropylen oder deren Copolymere eingesetzt. Die Thermoplastschichten können auch mit Füllstoffen oder Verstärkungsfasern, wie z. B. Kalk, Talkum, Holzmehl, Glaskugeln, Glas-, Kohle- oder Zellulosefasern gefüllt oder verstärkt sein. Weiters ist es möglich, Verbundlaminate mit geschäumten Thermoplastschichten zu verwenden.
Die bevorzugte Dicke der Metallschicht liegt bei 0, 1 bis 1mm, obwohl auch die Verwendung von dünneren Metallschichten, vor allem gemeinsam mit dünneren Thermoplastschichten, und auch die Verwendung von Metallschichten mit einer Dicke von über 1 mm, vor allem gemeinsam mit dickeren Thermoplastschichten möglich ist.
Die Metallschicht besteht vorzugsweise aus Aluminium, Stahl, Edelstahl oder Kupfer. Die Aluminiumschichten können zusätzlich eloxiert, lackiert oder pulverbeschichtet sein.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Zugdruckformverfahrens, wie sie beispielhaft und schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Darin stellt (3) den Formelstempel, (2) den ringförmigen Niederhalter und (6) den Formunterteil dar. Im Formunterteil (6) ist eine rundum laufende ringförmige Ausnehmung (Nut) (7) ausgenommen, in die eine entsprechende rundum laufende Erhöhung (Feder) (5), die in Form eines Ringes im Niederhalter (2) angebracht ist, eingreift. (4) stellt das umzuformende Verbundlaminat dar, das beim Niedergehen des Stempels (3) zwischen Nut (7) und Feder (5) durchgezogen wird. Mit Hilfe von am Umfang der Stahlform angebrachten Schrauben (1) wird über den Niederhalter (2) der optimale Pressdruck im Feder-Nutsystem eingestellt.
Dadurch kann das Verbundlaminat je nach eingestelltem Druck verschieden fest gehalten werden, sodass es während des Umformens kontrolliert gebremst hindurchgezogen wird bzw. nachgleiten kann. Der optimale Pressdruck kann statt mit Schrauben beispielsweise auch hydraulisch aufgebracht werden.
Das Feder-Nutsystem besteht im Falle eines runden Formteils aus einer ringförmigen Nut und analoger ringförmigen Feder, wie in Fig. 1 gezeigt. Bei anderer geometrischer Form des Formteils ist auch das FederNutsystem entsprechend angepasst, wobei Feder und Nut dann nicht kreisrund, sondern in der dem jeweiligen Formteil entsprechenden geometrischen Form im Niederhalter bzw. Formunterteil angebracht sind.
Beispeil :
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In einer Stahlform, wie sie in Fig. 1 teilweise dargestellt ist und deren Formstempel und Formunterteil mit hoher Genauigkeit entsprechend einer Parabolkurve gefertigt wurden, wurde aus einem 6 mm dicken Verbundlaminat, das aus einem 5 mm dicken Polypropylenkem, der beidseitig mit je einer 0, 5 mm dicken Aluminiumdeckschicht (AlMgl) verbunden war, bestand, ein Parabolspiegel mit einem Durchmesser von 900 mm und einer Schüsseltiefe von 140 mm geformt. Das Verbundlaminat wurde mit einem Druck von ca. 190 N/cm2 im Feder-Nutsystem mit Hilfe von 15 Gewindeschrauben M16 eingespannt. Der Druck wurde über das Anzugsdrehmoment in den Gewindeschrauben eingestellt.
Beim Niedergehen des Formstempels wurde das Verbundlaminat durch die Nut gezogen und zu einer einwandfreien Parabolschüssel ohne Falten oder Oberflächenrisse mit einer Gesamtdicke von 6 mm und hoher Steifigkeit umgeformt. Bei einer Vermessung der Parabolschüssel wurde die Abweichung von der theoretischen Parabolkurve in 720 Messpunkten bestimmt. Die Messpunkte lagen auf 90 Kreisen mit Radien von 5 bis 450 mm im gleichmässigen Abstand von jeweils 5 mm, wobei auf jeder Kreisbahn 8 Messpunkte lagen. Die maximale Abweichung je Kreisbahn betrug 0, 24 mm, die gesamte Parabolschüssel zeigte eine maximale Abweichung von 0, 65 mm.
Die erreichte hohe Genauigkeit ist vor allem im Hinblick auf Grösse und Dicke des Formteils überraschend.
Sie ermöglicht eine Verwendung als Parabolantenne im allgemeinen Telekommunikationsbereich, die Parabolantennen liefern einwandfreie Bildqualitäten bei TV-Satellitenübertragungssystemen.
PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung von Wölbteilen mit hoher Massgenauigkeit durch Zugdruckumformen von mehrlagigen Metall-Thermoplast-Verbundlaminaten aus mindestens einer Metallschicht und mindestens einer Thermoplastschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundlaminat während des Umformens durch ein im Niederhalter und Formunterteil intergriertes Feder-Nutsystem mit einem solchen Druck festgehalten wird, dass es kontrolliert gebremst nachgleiten kann.
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