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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufheizen
einer thermoplastischen Kunststofffolie oder Kunststoffplatte.
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Die
Druckschrift
DE 2 216 651 beschreibt
eine Heizung zur Erwärmung
von thermoplastischen Kunststofffolien oder -platten, bei der Heizkörper rasterförmig angeordnet
und einzelne Heizkörper
mit Thermoelementen ausgerüstet
sind. Es werden Zonen definiert, in denen jeweils ein Heizkörper mit
einem Thermoelement ausgerüstet
ist, um unterschiedliche Temperaturen in den verschiedenen Zonen
realisieren zu können.
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Die
Druckschrift
DE 196
34 941 A1 offenbart ein Verfahren zum Beheizen einer Platte
aus thermoplastischem Kunststoff, bei der ein Infrarottemperatursensor
die Oberflächentemperatur
der Platte ermittelt. Bei diesem Verfahren wird zunächst die
Heizung mit der vollen Leistung betrieben, bis der Sensor die Zieltemperatur
erfasst und ein Signal an die Steuerung übermittelt, das zur Folge hat,
dass während
der nun folgenden Nachheizzeit die Leistung der Heizung reduziert
wird und die Oberflächentemperatur
der Platte so konstant gehalten wird. Die Nachheizzeit wird vorgegeben,
aus Tabellen entnommen oder von der Steuerung errechnet.
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Die
Druckschrift
DE 198
36 174 C2 zeigt eine Heizung zum Erwärmen von thermoplastischen
Kunststoffen und ein Verfahren zum Einstellen der Temperatur dieser
Heizung, wobei die Heizung in verschiedene Heizzonen mit jeweils
eigenen Pilotstrahlern eingeteilt ist zur Einstellung unterschiedlicher
Temperaturen in verschiedenen Heizzonen. So können einseitig auftretende
Temperaturschwankungen kompensiert werden.
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In
der Praxis hat sich gezeigt, dass die bis jetzt bekannten Verfahren
zur Erzielung einer Reproduzierbarkeit von Aufheizergebnissen für thermoplastische
Halbzeuge in Thermoformvorrichtungen entweder die Temperaturen der
aufzuheizenden Objekte oder die Leistungen der Heizkörper messen.
Dabei werden aber nicht die sich ständig verändernden Randbedingungen während des
Aufheizvorganges erfasst und in eine Regelung der Heizung mit einbezogen:
Die Temperatur der Halbzeuge ändert
sich im Tagesablauf oder in Abhängigkeit
der Jahreszeiten, die Gesamttemperatur der Maschine ist nicht konstant,
die Temperaturen der aufgeheizten Maschinenteile in der Nähe der Halbzeuge
variieren und auch die Temperatur des Fertigungsraumes schwankt.
Diese Randbedingungen werden von den oben beschriebenen Vorrichtungen
und Verfahren nicht berücksichtigt,
obwohl sie ganz entscheidend zur Reproduzierbarkeit von Aufheizergebnissen
beitragen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung und das Verfahren
zum Aufheizen von thermoplastischen Kunststofffolien oder Kunststoffplatten
so zu gestalten, dass Schwankungen der thermischen Randbedingungen
wie beispielsweise Halbzeug-, Maschinen- oder Fertigungsraumtemperatur
Aufheizergebnisse nicht beeinflussen und so Formteile konstanter
Qualität
produziert werden können.
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Gelöst ist diese
Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Vorrichtungsmerkmale sowie durch die im Verfahren des nebengeordneten
Anspruches 11 angegebenen Maßnahmen.
Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen rückbezogenen Ansprüche.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung und vorteilhafte Weiterbildungen sind anhand schematischer Zeichnungen
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 Eine
Seitenansicht der Vorrichtung
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2-4 Verschiedene
Temperaturprofile im Querschnitt einer erwärmten thermoplastischen Platte
oder Folie
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Die
Vorrichtung gemäß 1 besteht
aus einer Formstation 1 mit einem Spannrahmen, bestehend aus
oberem Spannrahmen 2 und unterem Spannrahmen 3,
wobei der obere Spannrahmen 2 höhenverschiebbar ist und die
beide im Zusammenwirken eine Platte 4 oder einen Abschnitt
der Folienbahn 18 aus thermoplastischem Kunststoff einspannen. Über eine
Heizeinrichtung 5 mit Heizelementen 30, angeordnet
in der Formstation 1 und/oder in einer vorgeschalteten
Beschickungsstation 6, erfolgt die Erwärmung der Platte 4 oder
des Abschnittes einer Folienbahn 18 auf Verformungstemperatur.
Mittels einer auf dem höhenbeweglichen
Formtisch 7 angeordneten Tiefziehform 8 und durch
Anlegen eines Differenzdruckes, vorzugsweise von Vakuum, wird die
Platte 4 oder der Abschnitt der Folienbahn 18 zu
einem Formteil 9 tiefgezogen. Durch Einbau einer nicht
dargestellten Druckglocke kann auch eine Druckluftformung vorgenommen
werden. Unterstützt wird
das Tiefziehen ggf. durch einen Vorstrecker 10, der an
einem mit einer Antriebseinrichtung 11 zu dessen Höhenverschiebung
verbundenen Träger 12 sitzt.
Die Formstation 1 ist innerhalb eines Maschinenrahmens 31 angeordnet.
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Seitlich
der Formstation 1 ist wahlweise eine Beschickungsstation 6 angeordnet,
in die Platten 4 als Stapel 13 eingelegt werden. Über eine
Saugerplatte 14 mit an Vakuum anschließbaren Saugern 15 wird
jeweils die oberste Platte 4 des Stapels 13 abgehoben
und an die Transporteinrichtung 19 übergeben, die die Beschickungsstation 6 mit
der Formstation 1 verbindet. Die Vertikalbewegung der Saugerplatte 14 erfolgt über die Antriebseinrichtung 16.
Antriebseinrichtung 16 und Saugerplatte 14 sind über die
Kupplung 17 verbunden. Die Beschickungsstation 6 ist
innerhalb eines Maschinenrahmens 31 angeordnet.
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Wenn
die Vorrichtung nicht vom Plattenstapel 13 arbeitet, sondern
Abschnitte der Folienbahn 18 verformt, wird die Folienbahn 18 von
einer Folienrolle 21 mittels der Transporteinrichtung 19 abgezogen.
Eine Querschneideeinrichtung 20 trennt diesen Abschnitt
der Folienbahn 18 ab und die Transporteinrichtung 19 bringt
ihn in die Beschickungsstation 6 und danach in die Formstation 1.
Die Vorrichtung kann in einer Abwandlung auch die Folienbahn 18 zuerst
verformen und nach der Formstation 1 das Abtrennen der
Formteile 9 mit geeigneten Einrichtungen vornehmen. Auch
das manuelle Einlegen von Platten 4 direkt in die Formstation 1 ist
bei solchen Vorrichtungen möglich.
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Die
Vorrichtung umfasst außerdem
eine Steuerung 26, welche mit Temperatursensoren 22, 23, 24, 25 und
Aktoren 11, 16 und weiteren, nicht dargestellten,
Sensoren und Aktoren elektrisch verbunden ist.
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Die
obige Beschreibung der Vorrichtung anhand einer Plattenformmaschine
ist lediglich als beispielhaft aufzufassen. Ebenso ist die Vorrichtung
an sämtlichen
anderen Typen von Thermoformmaschinen, einschließend Thermoformmaschinen für formend/stanzende
oder formend und getrennt stanzende Arbeitsweise anordenbar. Dasselbe
gilt für
die Beschreibung des Verfahrens.
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In 2 ist
ein Querschnitt durch einen Abschnitt einer erwärmten thermoplastischen Platte 4 oder Folienbahn 18 mit
der Materialstärke
S dargestellt. Im Querschnitt ist der parabelförmige Verlauf eines Temperaturprofils 29 gezeigt,
das sich bei Erwärmung
mit Heizelementen 30 von Heizeinrichtungen 5 in
Thermoformmaschinen einstellt.
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Die 3 und 4 zeigen
weitere Querschnitte eines Abschnittes einer erwärmten thermoplastischen Platte 4 oder
Folienbahn 18 mit abweichenden thermischen Randbedingungen,
die weiter unten bei der Beschreibung des Verfahrens noch näher erläutert werden.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Vorrichtung zum Aufheizen einer thermoplastischen Kunststofffolie
oder Kunststoffplatte in einer Thermoformmaschine mindestens eine
Heizeinrichtung 5 mit Heizelementen 30 und eine
Steuerung 26, die mit Temperatursensoren 22, 23, 24, 25 verbunden
ist. Die Steuerung 26 ist dabei so ausgebildet, dass durch
automatische Anpassung der Einstellwerte der Heizeinrichtung 5 trotz
schwankender Temperaturwerte innerhalb und außerhalb der Vorrichtung ein
sich nach einem Aufheizvorgang einstellendes Temperaturprofil 29 im
Querschnitt einer Platte 4 oder Folienbahn 18 mit
einer Materialstärke
S konstant bleibt.
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Die
Steuerung 26 kann durch Kabel 27 mit Temperatursensoren 22, 23, 24, 25 elektrisch
verbunden sein.
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Ebenso
ist die Verbindung zwischen den Temperatursensoren 22, 23, 24, 25 und
der Steuerung 26 mittels drahtloser Übertragung, beispielsweise
in der sogenannten „Wireless"-Technik oder der „Blue-tooth"-Technik, ausbildbar.
Erfindungsgemäß ist ebenfalls
vorgesehen, dass die Temperatursensoren 22, 23, 24, 25 innerhalb
und/oder außerhalb
der Thermoformmaschine angeordnet sind.
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In
einer Variante der Vorrichtung werden Werte des Kontakttemperatursensors 22 in
die Steuerung 26 eingelesen. Der Kontakttemperatursensor 22 ist
innerhalb der Thermoformmaschine so platziert, dass er nicht in
direkter Bestrahlung durch Heizelemente 30 der Heizeinrichtung 5 angeordnet
ist. Die Transporteinrichtung 19, an der er beispielsweise
angeordnet ist, erwärmt
sich aber während
der Produktionszeit erfahrungsgemäß auf bis ca. 80°C. Der Kontakttemperatursensor 22 repräsentiert
damit die Temperatur von Maschinenteilen, die bei entsprechender
Erwärmung
wie ein Heizelement 30 wirken und einen Einfluss auf die
Erwärmung
der Platte 4 oder der Folienbahn 18 haben. Der
Kontakttemperatursensor 22 kann natürlich auch als ein anderer
Typ von Temperatursensor ausgebildet sein, der die Temperatur eines
Maschinenteiles ermitteln kann.
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In
einer Ausbildung der Vorrichtung werden Werte des Kontakttemperatursensors 23 in
die Steuerung 26 eingelesen. Der Kontakttemperatursensor 23 ist
innerhalb der Thermoformmaschine so platziert, dass er weder in
der direkten noch in der indirekten Bestrahlung der Heizung 5 angeordnet
ist. Er repräsentiert
damit eine Innentemperatur der Thermoformmaschine. Der Kontakttemperatursensor 23 kann
natürlich
auch als ein anderer Typ von Temperatursensor ausgebildet sein,
der die Temperatur eines Maschinenteiles ermitteln kann.
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In
einer weiteren Ausführung
der Vorrichtung werden Werte des Lufttemperatursensors 24 in
die Steuerung 26 eingelesen. Der Lufttemperatursensor 24 ist
außerhalb
der Thermoformmaschine so platziert, dass er die Temperatur des
Fertigungsraumes ermittelt. Der Lufttemperatursensor 24 kann
natürlich
auch als ein anderer Typ von Temperatursensor ausgebildet sein,
der die Temperatur der Luft im Fertigungsraum ermitteln kann.
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In
einer nächsten
Ausführung
der Vorrichtung werden Werte des Infrarottemperatursensors 25 in
die Steuerung 26 eingelesen. Der Infrarottemperatursensor 25 ist
innerhalb der Thermoformmaschine so angeordnet, dass er in der Beschickungseinrichtung 6 die
Temperatur der Platte 4 oder der Folienbahn 18 durch
die Erfassung der Infrarotstrahlen 28, die von der Platte 4 oder
der Folienbahn 18 emittiert werden, vor und während des
Aufheizvorganges ermittelt. Anstelle eines Infrarottemperatursensors
können
natürlich
auch weitere Typen von Temperatursensoren eingesetzt werden, die
die Temperatur der Platte 4 oder der Folienbahn 18 kontaktlos
oder mittels Kontakt ermitteln können.
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In
einer weiteren Ausführung
ist es von Vorteil, wenn der Infrarottemperatursensor 25 innerhalb
der Thermoformmaschine in der Formstation 1 angeordnet
ist. Der Infrarottemperatursensor 25 ist so angeordnet, dass
er die Temperatur der Platte 4 oder der Folienbahn 18 durch
die Erfassung der Infrarotstrahlen 28, die von der Platte 4 oder
der Folienbahn 18 emittiert werden, vor und während des
Aufheizvorganges ermitteln kann.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn Infrarottemperatursensor 25 außerhalb
der Thermoformmaschine angeordnet ist. Der Infrarottemperatursensor 25 ist
dann so angeordnet, dass er die Temperatur der Platte 4 oder der
Folienbahn 18 durch die Erfassung der Infrarotstrahlen 28,
die von der Platte 4 oder der Folienbahn 18 emittiert
werden, vor dem Aufheizvorgang ermitteln kann.
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Die
Verfahren zum Aufheizen von thermoplastischen Kunststofffolien oder
Kunststoffplatten nach dem Stand der Technik schlagen unterschiedliche
Strategien vor: Mittels sogenannter Pilotstrahler wird angestrebt, eine
meist gleichmäßige Beheizung
der Halbzeuge über
der Fläche,
die verformt werden soll, zu erreichen und es wird eine konstante
Heizzeit an der Maschine eingestellt. Es ergibt sich ein Temperaturprofil 29 im
Inneren der Platte 4 oder der Folienbahn 18, nach
erfolgter Aufheizung, wie es schematisch in 2 dargestellt
ist. Es bilden sich an der Oberfläche 32 eine Maximaltemperatur
Tmax1 und in den Kernschichten 33 eine Minimaltemperatur
Tmin1 heraus. Das Temperaturprofil 29 weist dabei eine
angenäherte
Parabelform auf.
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Erwärmen sich
Thermoformmaschine, die noch nicht erwärmte Folienbahn 18 oder
Platte 4 und/oder die Umgebung infolge verschiedenster
Einflüsse
und Ereignisse, so verschiebt sich bei konstanten Einstellungen
der Heizeinrichtung 5 das Temperaturprofil 29 nach
erfolgter Aufheizung gemäß der Darstellung
in 3. Der Wert der Maximaltemperatur Tmax2 in 3 zeigt
sich beispielsweise um die Differenz d größer als der von Tmax1 in 2.
Dies führt
zu einem veränderten
Verhalten der Folienbahn 18 oder der Platte 4 während der
Verformung, da sich durch den gesteigerten Energieinhalt die viskoelastischen
Eigenschaften der Folienbahn 18 oder der Platte 4 verändern. Die
Verformungsqualität
sinkt, es kann sogar zu sogenannten „Durchreißern" kommen, bei denen während der Verformung das durch
die Verstreckung ausgedünnte
thermoplastische Halbzeug zerreißt. Es ist dann ein manuelles
Nachregeln erforderlich.
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Bei
einer weiteren Strategie wird ein Infrarottemperatursensor eingesetzt,
der bei einer gewünschten Maximaltemperatur
Tmax1 an der Oberfläche 32 der
thermoplastischen Folienbahn 18 oder Platte 4 die
Heizelemente 30 der Heizeinrichtung 5 abschaltet
oder reduziert. Erwärmen
sich die Thermoformmaschine, die Folienbahn 18 oder die
Platte 4 vor dem Aufheizen und/oder die Umgebung, so wird
die Temperatur der Oberfläche
Tmax1 folglich schneller erreicht und es ergibt sich ein Temperaturprofil 29,
wie es in 4 dargestellt ist: Der Wert
der Maximaltemperatur Tmax1 an der Oberfläche 32 entspricht
der in 2, der Wert der Minimaltemperatur Tmin3 (4)
in der Kernschicht 33 der Folienbahn 18 oder der
Platte 4 aber ist, bedingt durch die reduzierte Heizzeit,
beispielsweise um die Differenz d geringer als Tmin1 in der 2,
da die Heizzeit, gesteuert durch den Infrarottemperatursensor, verkürzt wurde.
Dies führt
ebenfalls zu einem veränderten
Verhalten der Folienbahn 18 oder der Platte 4 während der
Verformung, da sich durch die Verkürzung der Heizzeit der eingetragene
Energieinhalt verringert und die viskoelastischen Eigenschaften
der Folienbahn 18 oder der Platte 4 sich verändert darstellen.
Durch die Reduktion der Kerntemperatur Tmin3 sinkt die Verformungsqualität. Die sogenannte „Ausformschärfe", das Maß für die Abbildungsgenauigkeit
der Folienbahn 18 oder der Platte 4 an der Kontur
der Tiefziehform 8, sinkt. Es ist ein manuelles Nachregeln
erforderlich.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zum Aufheizen einer thermoplastischen Kunststofffolie Kunststoffplatte
in einer Thermoformmaschine werden von einer Steuerung 26 Werte
von Temperatursensoren 22, 23, 24, 25 verarbeitet
und die Einstellwerte der Heizeinrichtung 5 gemäß der Werte
der Temperatursensoren 22, 23, 24, 25 dergestalt
angepasst, dass das sich nach dem Ende des Aufheizvorgangs einstellende
Temperaturprofil 29 in der Platte 4 oder in der
Folienbahn 18 konstant bleibt. Ein Wert des sich nach dem
Ende des Aufheizvorganges ergebenden Temperaturprofils 29 ist
die Maximaltemperatur Tmax1 an der Oberfläche 32 der Platte 4 oder
der Folienbahn 18. Mittels des Infrarottemperatursensors 25 wird
auch diese Temperatur ermittelt. Diese Temperatur kann ebenfalls
herangezogen werden, um das Temperaturprofil 29 in der
Platte 4 oder in der Folienbahn 18 konstant zu
halten, indem durch Hinterlegen von Wertepaaren mit einander zugeordneten
Zeit- und Temperaturwerten in der Steuerung 26 eine sogenannte
Aufheizkurve gebildet wird. So können
beispielsweise Werte der Aufheizkurve, die sich bei Schichtbeginn
als optimal erweisen, in der Steuerung 26 hinterlegt werden. Ändern sich
die Randbedingungen der Thermoformung im Laufe des Tages, so kann
die Aufheizkurve durch automatische Änderung der Temperaturwerte
der Heizelemente 30 der Heizeinrichtung 5 durch
die Steuerung 26 wieder an die Ausgangsform angepasst werden,
so dass das Temperaturprofil 29 in der Platte 4 oder
in der Folienbahn 18 konstant bleibt.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass sowohl die Heizzeit der Heizeinrichtung 5 als
auch die Maximaltemperatur der Folienbahn 18 oder der Platte 4 an
der Oberfläche
durch die Steuerung 26 konstant gehalten bleiben.
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Eine
Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Steuerung 26 durch
die Erfassung und Verarbeitung der Temperaturwerte eines Kontaktsensors 22,
der an Maschinenteilen angeordnet ist, die bei entsprechender Erwärmung wie
Heizelemente 30 wirken, die Einstellwerte der Heizeinrichtung 5 automatisch
anpasst. Solche Maschinenteile können
z.B. Teile der Transporteinrichtung 19 oder andere Teile
im Bereich der Strahlung der Heizeinrichtung 5 sein.
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Eine
weitere Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Steuerung 26 durch
die Erfassung und Verarbeitung der Temperaturwerte eines Kontaktsensors 23,
der an Teilen der Thermoformmaschine angeordnet ist, und die Innentemperatur
der Vorrichtung repräsentiert,
die Einstellwerte der Heizeinrichtung 5 automatisch anpasst.
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Erfindungsgemäß ist es
ebenfalls vorteilhaft, wenn die Steuerung 26 durch die
Erfassung und Verarbeitung der Temperaturwerte eines Kontaktsensors 24,
der außerhalb
der Thermoformmaschine angeordnet ist, und die Temperatur des Fertigungsraumes
repräsentiert,
die Einstellwerte der Heizeinrichtung 5 automatisch anpasst.
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Eine
andere Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Steuerung 26 durch
die Erfassung und Verarbeitung der Temperaturwerte eines Infrarottemperatursensors 25,
der die Temperatur der Platte 4 oder der Folienbahn 18 vor
der Erwärmung
erfasst, die Einstellwerte der Heizeinrichtung 5 automatisch
anpasst.
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Eine
andere Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Steuerung
26 durch
die Erfassung und Verarbeitung der Temperaturwerte eines Infrarottemperatursensors
25,
der die Temperatur der Platte
4 oder der Folienbahn
18 während der
Erwärmung
erfasst, die Einstellwerte der Heizeinrichtung
5 automatisch
anpasst. Bezugszeichenliste
| 1 | Formstation | 21 | Folienrolle |
| 2 | oberer
Spannrahmen | 22 | Kontakttemperatursensor |
| 3 | unterer
Spannrahmen | 23 | Kontakttemperatursensor |
| 4 | Platte | 24 | Lufttemperatursensor |
| 5 | Heizeinrichtung | 25 | Infrarottemperatursensor |
| 6 | Beschickungsstation | 26 | Steuerung |
| 7 | Formtisch | 27 | Kabel |
| 8 | Tiefziehform | 28 | Infrarotstrahl |
| 9 | Formteil | 29 | Temperaturprofil |
| 10 | Vorstrecker | 30 | Heizelement |
| 11 | Antriebseinrichtung | 31 | Maschinenrahmen |
| 12 | Träger Vorstrecker | 32 | Oberfläche |
| 13 | Stapel | 33 | Kernschicht |
| 14 | Saugerplatte | d | Differenz |
| 15 | Sauger | S | Materialstärke |
| 16 | Antriebseinrichtung | Tmin1 | Minimaltemperatur |
| 17 | Kupplung | Tmin2 | Minimaltemperatur |
| 18 | Folienbahn | Tmin3 | Minimaltemperatur |
| 19 | Transporteinrichtung | Tmax1 | Maximaltemperatur |
| 20 | Querschneideeinrichtung | Tmax2 | Maximaltemperatur |