DE102005008228A1

DE102005008228A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen

Info

Publication number: DE102005008228A1
Application number: DE102005008228A
Authority: DE
Inventors: Jörg Mohr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2006-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen aus einer thermoverformbaren Folie aus Kunststoff. Die Folie wird durch einen an einer Unterseite der Folie erzeugten Unterdruck und einen an einer Oberseite der Folie erzeugten Überdruck in oder auf eine Tiefziehform des Formwerkzeuges tiefgezogen, wobei der Überdruck mit einem Inertgas-Dampf-Gemisch, vorzugsweise mit einem gesättigten Luft-Wasserdampf-Gemisch, erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen aus einer thermoverformbaren Folie aus Kunststoff, wobei die Folie durch einen an einer Unterseite der Folie erzeugten Unterdruck und einen an einer Oberseite der Folie erzeugten Überdruck tiefgezogen wird.

Zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff ist es bekannt, thermoplastische Folien oder Platten mittels Tiefziehen vorzuformen und anschließend zu hinterschäumen oder zu hinterspritzen. Im Gegensatz zum Inmould-Verfahren werden dabei die fertigen und ausreichend steifen Vorformlinge in einem weiteren Verfahrensschritt in ein Spritzwerkzeug eingelegt und mit Kunststoff hinterschäumt oder hinterspritzt. Das Tiefziehen von Vorformlingen aus Lackfolien ermöglicht dabei eine flexible Gestaltung von Kunststoffteilen beispielsweise für die Fertigung von anspruchsvollen Fahrzeuginnen- und Fahrzeugaußenverkleidungen.

Beim Tiefziehen, auch Thermoformen genannt, werden die Folien bis zu einer geeigneten Umformtemperatur gleichmäßig erwärmt und mittels Vakuum, Druckluft und/oder mechanischer Kräfte umgeformt. Das Erwärmen der in einen Spannrahmen fest fixierten Folie erfolgt in der Regel mit Infrarot-Flächenstrahlern. Das Thermoformen kann dann entweder mit der Negativformung, bei welcher die Folie in den konkaven Formholraum gesaugt und/oder gedrückt wird oder mit einer Positivformung, bei welcher die Folie auf ein konvexen Formkern gesaugt und/oder gedrückt wird, erfolgen. Die am Formwerkzeug anliegende Seite der Folie wird dabei glatter und maßgenauer. Damit auch feinere Konturen abgebildet werden können, werden an die entsprechenden Stellen des Formwerkzeugs feine Löcher gebohrt, durch welche bei Anlegen eines Vakuums an die Löcher die Folie angesaugt wird. Das Folien- oder Plattenmaterial ist nach dem Formvorgang und einer Abkühlung formstabil und kann in einem weiteren Verfahrensschritt mit einem Standard-Spritzgießverfahren hinterspritzt werden.

Die DE 38 34 604 A1 beschreibt ein Tiefziehverfahren für Folien mit Negativziehform. Durch einen innerhalb der Negativziehform einseitig wirkenden Unterdruck wird die Folie negativ gezogen, wobei die Folien zur Einprägung von dekorativen Oberflächen auf eine Temperatur in der Nähe oder oberhalb des Schmelzpunktes und das Ziehwerkzeug auf eine etwas geringere Temperatur erwärmt werden müssen. Für bereits dekorierte Folien oder Folien mit farbgebenden Zwischenschichten bzw. Trägerschichten ist ein Tiefziehprozess mit diesen hohen Temperaturen nicht geeignet.

Zur Herstellung von Vorformlingen aus Folien mit hochwertigen bzw. dekorierten Oberflächen ist aus der DE 35 05 828 A1 ein Verfahren zur Positivformung mittels Thermoformen bekannt, bei welchem die Dekorseite in einem die Oberfläche nicht schädigendem Temperaturbereich belassen wird. Mit dem durch den Unterdruck erzeugten Kräften ist jedoch dabei keine präzise Formgebung möglich.

Beim Tiefziehen von Lackfolien bzw. dekorierten Folien, welche in der Regel als Mehrschichtfolien ausgeführt sind, mittels bekannter Tiefziehverfahren unter Verwendung von Unterdruck und ggf. mit durch Druckluft erzeugten Überdruck ist eine präzise Formgebung mit sehr kleinen Krümmungsradien im Bereich von 0,5 bis 2 mm unter Beibehaltung der Dekoreigenschaften der Folie nicht erreichbar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher die genaue Formgebung von Kunststoff-Formteilen im Tiefziehprozess zu verbessern.

Die Lösung gelingt mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen gemäß den Ansprüchen 1 und 17.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen, bei welchem eine thermoverformbare Folie aus Kunststoff auf eine Umformtemperatur erwärmt, in einem Formwerkzeug gehaltert und durch einen an einer Unterseite der Folie erzeugten Unterdruck und einen an einer Oberseite der Folie erzeugten Überdruck in oder auf eine Tiefziehform des Formwerkzeuges tiefgezogen wird, wird der Überdruck mit einem Inertgas-Dampf-Gemisch, vorzugsweise mit einem Luft-Wasserdampf-Gemisch, insbesondere mit einem gesättigten Luft-Wasserdampf-Gemisch, erzeugt.

Damit wird die Folie während des Tiefziehvorgangs mit Unterdruck zusätzlich mit einem in seiner Wirkung gut dosierbaren Überdruckmedium mit hohem Energiegehalt geformt. Durch die weitere Wärmezufuhr und Druckbeaufschlagung über das Inertgas-Dampf-Gemisch wird eine Verbesserung der Formbarkeit der Folien, insbesondere exakt ausformbare kleinformatige Geometrien, beispielsweise mit Krümmungsradien von 0,5 bis 2 mm, für die Herstellung von Kunststoff-Formteile möglich.

Die Folien aus thermoplastischen Kunststoffen sind bei Umformtemperaturen im thermoplastischen Bereich gut umformbar. Für amorphe Kunststoffe, wie beispielsweise PS (Polystyrol), PC (Polycarbonat), PVC (Polyvenylchlorid), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), ABS/ASA (Acrylnitril-Butadien-Styrol/ Acrylnitril-Styrol-Acrylester) und PMMA (Polymethylmethacrylat) liegt die Umformtemperatur oberhalb des Erweichungspunktes, auch als Glasübergangstemperatur T_G bezeichnet und unterhalb des Schmelzpunktes. Für teilkristalline Kunststoffe wie beispielsweise PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), PET (Polyethylen-Terphthalat) und POM (Polyoxymethylen), liegt die Umformtemperatur knapp unter dem Kristallitschmelzbereich, bei höherer Kristallinität muss allerdings auch die Umformtemperatur höher gewählt werden.

Für viele Anwendungsfälle sind vorzugsweise Folienmaterialien mit guter bis hoher Transparenz vorgesehen, insbesondere Polycarbonate, Polyester und Polyamide. Es kommen ebenfalls sogenannte „Lackfolien", d.h. durchgefärbte coextrudierte Mehrschichtfolien zur Anwendung. Eine mehrschichtige Folien besteht dann beispielsweise aus einer transparenten kratzfesten Deckschicht, beispielsweise aus Polycarbonat-Ester und einer Trägerschicht zur Farbgebung, beispielsweise aus PMMA oder ASA/PC oder einer transparenten kratzfesten Deckschicht, einer Trägerschicht, beispielsweise aus einem Styrolpolymer wie ABS/ASA, und einer oder mehrerer zwischen diesen angeordneten Dekorschichten, beispielsweise aus PMMA.

Typische Foliendicken für das erfindungsgemäße Verfahren liegen vorzugsweise im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,6 mm bis 1,2 mm. Bei Verwendung von dünneren Folien weisen die Kunststoff-Formteile keine genügende Stabilität auf. Bei Verwendung dickerer Folien sind entsprechend größere Radien abbildbar.

In Abhängigkeit vom Kunststoffmaterial und der Dicke der Folie, wird vorzugsweise ein Überdruck von 1 bar bis 12 bar mit einem 100°C bis 200°C heißem Inertgas-Dampf-Gemisch erzeugt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Folie vor dem Einbringen in das Formwerkzeug mit IR-Strahlen oder Warmluft auf die Umformtemperatur erwärmt, anschließend in das Formwerkzeug eingelegt und gehaltert, mit Unterdruck tiefgezogen und zur Ausbildung genauer Konturen des Kunststoff-Formteils im weiteren Verlauf des Verfahrens, d.h. während und/oder nach dem Erzeugen des Unterdrucks, der Überdruck mit dem heißen gesättigten Luft-Wasserdampfgemisch erzeugt. Anschließend wird die fixierte, tiefgezogene Folie abgekühlt.

Im Anschluss an den Tiefziehprozess und nach der Abkühlung kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens die tiefgezogene Folie mit einem weiteren Kunststoff, vorzugsweise mit PC-PET oder PC-PBT hinterspritzt werden. Auf diese weise ist es möglich, für die Verformung sehr dünne Folien zu verwenden und nachträglich durch das Hinterspritzen die erforderliche Steifigkeit und Dicke des Kunststoff-Formteils herzustellen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen aus einer thermoverformbaren Folie aus Kunststoff, insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, umfasst zumindest ein Formwerkzeug aus einer Tiefziehform und einem Oberwerkzeug sowie einen Spannrahmen zum Einspannen der Folie in das Formwerkzeug, wobei die Tiefziehform Öffnungen zum Anlegen eines Unterdrucks zwischen Folie und Tiefziehform aufweist und mit Mitteln zum Erzeugen des Unterdrucks verbunden ist, zwischen dem Oberwerkzeug und Tiefziehform ein abgedichteter Tiefziehraum ausgebildet oder ausbildbar ist, das Oberwerkzeug zumindest eine Öffnung zum Anlegen eines Überdrucks zwischen Folie und Oberwerkzeug aufweist und mit Mitteln zum Einleiten eines Gas-Dampf-Gemisches, insbesondere eines Luft-Wasserdampf-Gemisches, zur Erzeugen des Überdrucks verbunden ist.

Die Tiefziehform kann sowohl als Ziehstempel, auf welchen die Folie tiefgezogen wird, als auch als Ziehform, in welche die Folie tiefgezogen wird, ausgebildet sein.

Die Erfindung wird im weiteren an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die 1 zeigt dazu eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Ziehstempel.
Mit der in 1 dargestellten Vorrichtung kann die Herstellung von Kunststoff-Formteilen aus thermoverformbaren mehrschichtigen Folien 4 aus einer Trägerschicht aus ABS/ASA und einer Deckschicht aus PC-Ester mit einer Foliendicke von 0,8 mm erfolgen. Die Vorrichtung besteht aus einem Ziehstempel 1, einem Oberwerkzeug 2 und einen Spannrahmen 3 zum Einspannen der Folie 4 in das Formwerkzeug. Durch die Öffnungen zum Anlegen eines Unterdrucks 7 im Ziehstempel 1 wird zwischen der Folie 4 und dem Ziehstempel 1 mit Mitteln zum Erzeugen des Unterdrucks 5 ein Unterdruck erzeugt, bei welchem die zuvor auf eine Temperatur von ca. 150° C erwärmte Folie auf den Ziehstempel 1 gezogen wird. Nachdem die Folie 4 auf den Ziehstempel 1 gezogen wurde, wird das Oberwerkzeug 2 mit einem umlaufendem Dichtungsring 10 auf dem Ziehstempel 1 mit der Folie 4 positioniert, wobei zwischen dem Ziehstempel 1 mit der aufliegenden Folie 4 und dem Oberwerkzeug 2 ein abgedichteter Tiefziehraum 9 ausgebildet wird. Durch die Öffnung zum Anlegen eines Überdrucks 8 wird über Mittel zum Einleiten eines gesättigten Luft-Wasserdampfgemisches 6 zur Erzeugen eines Überdrucks von 1 bis 12 bar das gesättigte Luft-Wasserdampf-Gemisch mit einer Temperatur von 100 bis 200°C eingelassen. Durch die weitere Wärmezufuhr und Druckbeaufschlagung der Folie 4 über das Luft-Wasserdampf-Gemisch wird ein Krümmungsradius von 1,5 mm im Kunststoff-Formteil ausgeformt.

1: Ziehstempel
2: Oberwerkzeug
3: Spannrahmen
4: Folie
5: Mittel zum Erzeugen des Unterdrucks
6: Mitteln zum Einleiten eines gesättigten Luft-Wasserdampf-Gemisches
7: Öffnung zum Anlegen eines Unterdrucks
8: Öffnung zum Anlegen eines Überdrucks
9: abgedichteter Tiefziehraum
10: Dichtungsring

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen bei welchem eine thermoverformbare Folie aus Kunststoff auf eine Umformtemperatur erwärmt, in einem Formwerkzeug gehaltert und durch einen an einer Unterseite der Folie erzeugten Unterdruck und einen an einer Oberseite der Folie erzeugten Überdruck in oder auf eine Tiefziehform des Formwerkzeuges tiefgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck mit einem Inertgas-Dampf-Gemisch erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck mit einem Luft-Dampf-Gemisch erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck mit einem Luft-Wasserdampf-Gemisch, insbesondere mit einem gesättigten Luft-Wasserdampf-Gemisch erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überdruck von 1 bar bis 12 bar erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck mit einem 100°C bis 200°C heißem Inertgas-Dampf-Gemisch erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrschichtige Folie tiefgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie aus zumindest einer Trägerschicht und/oder einer Dekorschicht und/oder einer Deckschicht tiefgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine 0,1 mm bis 5 mm dicke Folie tiefgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie mit Krümmunsradien von 0,5 bis 5 mm tiefgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie auf eine als Ziehstempel ausgebildete Tiefziehform tiefgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie in eine als Ziehform ausgebildete Tiefziehform tiefgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdruck während und/oder nach dem Erzeugen des Unterdrucks erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie vor und während der Erzeugung des Unterdrucks mit IR-Strahlen oder Warmluft auf die Umformtemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie auf eine Umformtemperatur oberhalb des Erweichungspunktes und unterhalb des Schmelzpunktes erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefgezogene Folie abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tiefgezogene Folie mit einem weiteren Kunststoff hinterspritzt wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen aus einer thermoverformbaren Folie (4) aus Kunststoff, welche zumindest ein Formwerkzeug aus einer Tiefziehform und einem Oberwerkzeug (2) und einen Spannrahmen (3) zum Einspannen der Folie (4) in das Formwerkzeug umfasst, wobei die Tiefziehform Öffnungen zum Anlegen eines Unterdrucks (7) zwischen Folie (4) und Tiefziehform aufweist und mit Mitteln zum Erzeugen des Unterdrucks (5) verbunden ist, zwischen dem Oberwerkzeug (2) und Tiefziehform ein abgedichteter Tiefziehraum (9) ausgebildet oder ausbildbar ist, das Oberwerkzeug (2) zumindest eine Öffnung zum Anlegen eines Überdrucks (8) zwischen Folie (4) und Oberwerkzeug (2) aufweist und mit Mitteln zum Einleiten eines Gas-Dampf-Gemisches in den abgedichteten Tiefziehraum (9) zur Erzeugen des Überdrucks verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefziehform als Ziehstempel (1), auf welchen die Folie tiefgezogen wird, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefziehform als Ziehform, in welche die Folie tiefgezogen wird, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einleiten des Gas-Dampf-Gemisches Mittel zum Einleiten eines Luft-Dampf-Gemisches (5), insbesondere eines gesättigten Luft-Wasserdampfgemisches, umfassen.