DE10106607A1 - Laserstrahlbasiertes Erwärmverfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer genauen orts- und zeitabhängigen Temperaturverteilung auf thermoplastischem Rohmaterial zur Umformung in einer Form - Google Patents

Laserstrahlbasiertes Erwärmverfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer genauen orts- und zeitabhängigen Temperaturverteilung auf thermoplastischem Rohmaterial zur Umformung in einer Form

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Abstract

Automatisiertes Verfahren zur Aufbringung einer genauen orts- und zeitabhängigen Temperaturverteilung auf thermoplastischem Rohmaterial zur Umformung in einer Form durch einen über die Oberfläche des Rohmaterials gesteuerten Laserstrahl.

Description

Stand der Technik
Zur Erzeugung einer genauen orts- und zeitabhängigen Temperaturverteilung bei thermoplastischen Materialien, die in Umformprozessen der Serien- und Massenfertigung (Blasform-, Streckblasform-, Tiefziehverfahren etc.) verarbeitet werden sollen, werden bislang folgende Methoden eingesetzt:
  • - Ungerichtete, allenfalls mittels Blenden nur grob gerichtete Strahlung aus klassischen IR-Strahlquellen (IR-Lampen, Heizwendeln, Quarzstrahler etc.).
  • - Konvektion mittels Heizmedien (Luft, Wasserdampf, Flüssigkeiten etc.). Eigene Prozesswärme (Material wurde zum Extrudieren erwärmt).
  • - Temperaturübertragung durch Diffussion.
  • - Direkte Erwärmung mit einer Flamme.
Eine Regelung der eingebrachten Wärmemenge geschieht über die absolute Temperaturhöhe bzw. eingestrahlte Intensität, die zeitliche Dauer der Einbringung sowie durch eine Veränderung des Abstandes zwischen Strahlungsquelle und Material. Als Beispiele für diese Methoden seien die Patentschriften US 4690633, US 3850566, US 5783232, US 5308333, US 5328351, US 3849630, US 4682011, US 5980229 angeführt.
Soweit die Erwärmung bei einem Verfahren der Massenfertigung angewendet wird, wird zur Formung der erwärmten Materialien immer eine Negativform eingesetzt.
Laserstrahlung zur Erzeugung einer genauen Temperaturverteilung kommt bislang nur in Rapid-Prototyping-Verfahren (DE 100 00 859, EP 0703019) zum Einsatz. Dabei wird jeweils lokal ein genaues Temperaturprofil auf der Materialoberfläche erzeugt. Zur Umformung wird Druck aufgebracht. Diesen sog. RP-Verfahren ist gemein, dass sie im Gegensatz zu den Umformverfahren der Serien- und Massenfertigung, ohne die Verwendung einer Negativ-Form arbeiten.
Nachteile des Standes der Technik
Aus dem Stand der Technik ergeben sich folgende Nachteile der Erwärmverfahren für die umformende Massenfertigung:
  • - Das Temperaturprofil weist meist eine homogene, höchsten jedoch nur eine grobe örtliche Verteilung auf.
  • - Es kann nicht individuell auf einzelne Rohlinge, Preforms oder Schwankungen der Dicke des Ausgangsmaterials angepasst werden.
  • - Das benötigte Temperaturprofil kann nur heuristisch anhand der erreichten Ergebnisse für nachfolgende Werkstücke eingeregelt werden.
  • - Problemzonen, wie z. B. Boden- oder Schulterbereich einer Preform werden nur unzureichend erwärmt.
  • - Thermoplastische Kunststoffe, die ein zu kleines Temperaturfenster für die Umformung aufweisen, können nicht verwendet werden.
Aufgrund dieser Einschränkungen ist es nicht möglich, eine optimale Materialverteilung gemäß der technischen funktionalen Anforderungen zu erreichen. Eine ortsabhängige Materialdicke kann nicht gezielt hergestellt werden. Das führt dazu, dass die erzeugten Produkte in vielen Bereichen der Oberfläche überschüssiges Material aufweisen. Weil die am stärksten belasteten Bereiche die minimale Materialdicke bestimmen, sind alle Stellen, die nur geringe äußere Belastungen verkraften müssen, viel dicker als erforderlich. Das Gesamtgewicht eines hergestellten Produktes ist größer als nötig. Diese Unzulänglichkeit muss insbesondere bei nicht zylindersymmetrischen Hohlkörpern und bei Thermoformteilen mit großen Höhenunterschieden und entsprechend langen und steil ansteigenden Flanken hingenommen werden.
Neben der offensichtlichen Materialverschwendung bewirkt das überflüssige Material eine Verlängerung der Abkühlzeit. Die dickste Stelle beinhaltet die meiste Wärmeenergie, benötigt also am meisten Zeit zur Abkühlung, d. h. zur Stabilisierung der erzeugten Form, und bestimmt somit den gesamte Prozesstakt.
Ferner unterliegt die mit den herkömmlichen Methoden erzeugte Temperatur starken Schwankungen, so dass in den Umformprozessen der Massenfertigung bislang nur solche Materialien verarbeitet werden können, die ein hinreichend großes Temperaturfenster für die Erwärmung aufweisen. Thermoplastische Materialien, die nur in einem sehr begrenzten Temperaturbereich erwärmt werden dürfen, können nicht verwendet werden, weil eine gleichbleibend gute Qualität der gefertigten Produkte nicht erreicht werden kann. Als Folge davon muss auf teurere Materialien zurückgegriffen werden.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen, ortsabhängig variierenden Erwärmung von thermoplastischen Materialien zu schaffen. Das Verfahren wird zukünftig als "Laser-Heating" bezeichnet.
Lösung der Aufgabe
Die Lösung der Aufgabe wird mittels eines gesteuerten Laserstrahls gelöst. Anhand einer berechneten Temperaturverteilung wird ein Laserstrahl über die Oberfläche des Ausgangsmaterials (Vorformlinge, Preforms, Folien, etc.) geführt. Durch die Variation von verschiedenen Parametern, wie z. B. Intensität, Bahngeschwindigkeit des Strahls, Häufigkeit des Überstreichens, Strahldurchmesser, etc., kann die Erwärmung sehr genau und abhängig vom Ort gesteuert werden.
Beim Laser-Heating kann das Material sowohl aus dem vorgewärmten, als auch vom Zustand der Umgebungstemperatur aus erwärmt werden. Auf der Grundlage einer gemessenen Temperaturverteilung kann der noch benötigte Energieeintrag für jeden Rohling individuell erfolgen.
Die Vorrichtung umfasst u. a. einen Laser, eine Vorrichtung zur Führung des Laserstrahls über die Oberfläche des Werkstücks sowie einen Computer zur Berechnung der Temperaturverteilung und zur Steuerung des gesamten Erwärmprozesses. Ferner kann die Vorrichtung Sensoren zur Temperaturerfassung, Positioniereinheiten, Strahlteiler und Reflektoren beinhalten. Die Vorrichtung wird so an einer Umformmaschine angebracht, dass das Rohmaterial örtlich an allen Stellen und zeitlich bis kurz vor dem eigentlichen Umformprozess erwärmt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Gegenüber den bestehenden Verfahren beinhaltet das Laser-Heating folgende Vorteile:
  • a) Eine ortsabhängig veränderliche Temperaturverteilung kann erzeugt werden.
  • b) Jede gewünschte Temperaturverteilung wird exakt aufgebracht.
  • c) Über- oder Unterhitzungseffekte des Materials werden verhindert.
  • d) Materialien mit einem sehr kleinen Temperarturarbeitsfenster können verwendet werden.
  • e) Eine Erwärmung kann bis unmittelbar vor dem Einsatz des Formwerkzeuges (z. B. Schließen der Form) erfolgen.
  • f) Alle Bereiche eines Rohlings, auch solche, die mit herkömmlichen Verfahren nur unzureichend erreicht werden, wie z. B. Boden und Schulter einer Preform, können optimal erwärmt werden.
  • g) Die Erwärmung kann an individuelle Erfordernisse während des Erwärmprozesses angepasst werden.
  • h) Die Energie kann auch aus relativ großer Entfernung aufgebracht werden.
  • i) Es wird nur die tatsächlich benötigte Energiemenge aufgebracht.
Aufgrund der angeführten Vorteile des Laser-Heatings wird für das gesamte Produkt eine optimale Materialdicke und für den Herstellungsprozess eine minimale Taktzeit erreicht. Ferner kann preisgünstiges Alternativmaterial, welches ein sehr schmales Temperaturfenster für die umformende Bearbeitung besitzt, mit gleichbleibend hoher Qualität verarbeitet werden.
Beschreibung der Abbildungen
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer automatisierten Vorrichtung 1 zur Aufbringung einer genauen orts- und zeitabhängigen Temperaturverteilung. Das thermoplastische Rohmaterial 2 ist in einer Aufnahme 3 befestigt. Ein Umlenkspiegel ermöglicht die Erwärmung auch an solchen Stellen, die der Vorrichtung 1 nicht direkt zugänglich sind.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der automatisierten Vorrichtung 1 zur Aufbringung einer genauen orts- und zeitabhängigen Temperaturverteilung. Das Rohmaterial ist hier nicht als Hohlkörper, sondern in ebener Plattenform abgebildet.

Claims (4)

1. Automatisiertes Verfahren zur Aufbringung einer genauen orts- und zeitabhängigen Temperaturverteilung auf thermoplastischem Rohmaterial zur Umformung in einer Form mittels eines über die Oberfläche des Rohmaterials gesteuerten Laserstrahls.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkung des Laserstrahls computergesteuert erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Temperaturverteilung mittels Messgeräten erfasst wird.
4. Automatisierte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit:
einem elektronischen Rechner zur Steuerung des Laserstrahls über die Oberfläche des thermoplastischen Rohmaterials;
Messgeräten zur Erfassung der erzeugten Temperaturverteilung;
Reflektoren und Spiegeln zur Ablenkung des Strahls.
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