DE102008052149A1

DE102008052149A1 - Verfahren zur dreidimensionalen Formung thermoplastischer Folien

Info

Publication number: DE102008052149A1
Application number: DE200810052149
Authority: DE
Inventors: Gunter Tannhäuser
Original assignee: Genima Innovations Marketing GmbH
Current assignee: Genima Innovations Marketing GmbH
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-22

Abstract

Zum Tiefziehen von Thermoplasten wird die nur selektive Erwärmung des Materials mit einer Matrix aus Infrarot-Laserdioden oder einem gescannten IR-Laser vorgeschlagen, die das Material ohne oder nur mit ergänzender Benutzung von Vorformen an sequentiell zu verformenden Bereichen erhitzen, so dass es sich unter zusätzlichem Unter- und/oder Überdruck wunschgemäß formen lässt. Optische Analyse der entstehenden Form und Thermografie ermöglichen, den Vorgang dynamisch zu steuern.

Description

Die Herstellung von dreidimensional geformten Elementen aus Folien- oder Plattenmaterial gehört zu den effizientesten und verbreitetsten Herstellmethoden für Gehäuse und Karosserieteile, Behälter und Verpackungen.
Die Herstellung kann z. B. durch Pressen, Kaltschlagen, Gesenkschmieden und Hochdruck-Umformung erfolgen, wie dies für Metalle bevorzugt ist. Thermoplastische Kunststoffe werden dagegen meist tiefgezogen, weil sie sich durch mäßiges Erhitzen stark plastifizieren lassen.
Allen bisher bekannten Verfahren ist jedoch eigen, dass sie eine oder zwei Formen benötigen, in bzw. zwischen die das Platten- oder Folienmaterial eingelegt und an sie angeformt wird. Der vergleichsweise hohe zeitlich und wirtschaftliche Aufwand für Formenbau ist dabei der limitierende Faktor für die Realisierung von Versuchsmustern und Kleinserien und verhindert die weithin angestrebte Fertigung in ”Losgröße 1”.
Ein anderer Nachteil einschlägiger Verfahren ist, dass sich beim Ziehen über kantige Matritzen die Materialdicken der Platten oder Folien die Materialstärken stark verändern und somit stark geschwächte Partien entstehen. Dem kann oft nur durch aufwändige Methoden, wie z. B. der Anfertigung spezieller Gegenhalter oder Verarbeitung in mehreren Phasen mit unterschiedlichen Werkzeugen begegnet werden.
Ferner ist es ein Nachteil dieserart geformter Elemente, dass Hinterschnitte kaum (nur in einer Dimension bei geteilten Negativ-Formen) oder nicht mit vertretbarem Aufwand realisierbar sind.
Es ist daher Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Herstellung dreidimensional geformter Elemente aus Folien- oder Plattenmaterial ohne die Anwendung vorgefertigter Formen – und zudem mit Hinterschnitten – möglich ist und die Materialausdünnung in kritischen Zonen der Verformung verhindert werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Anwendung selektiver Erhitzung von Platten- oder Folienmaterial erreicht, die bei anliegendem Druck oder Unterdruck die Umformung einzelner Flächenbereiche ohne Anwendung vom Matritzen oder Patritzen bewirkt.
Bevorzugt wird diese selektive Erhitzung entweder mit einer dichten Matrix von Infrarot-Laserdioden oder von einem die Fläche mit unterschiedlicher Intensität abscannenden Laserstrahl bewirkt.
Dabei müssen die zugehörigen Laserstrahlen thermoplastische Kunststoffe bis zur (Teil-)Plastifizierung und Metalle bis zur gewünschten Wärmeverformung erhitzen.
Es hat zahlreiche Versuche gegeben, Material nicht nur durch Pressen oder selektiven Abtrag, sondern auch durch partiellen Wärme- und Materialeintrag zu formen – man denke hier nur an Auftragschweißen oder Lasersintern.
Für die Umformung flächigen Materials fand jedoch außer dem Metalldrücken zu sphärischen Gebilden, oder handwerklichem, bzw. Computer-gesteuertem Dengeln keine Verfahren ohne den Einsatz vorgefertigter Formen in die industrielle Anwendung Eingang.
Zwar hat es Verfahrensentwicklungen gegeben, Metallplatten durch Ausnutzung des Thermogradienten durch sektionsweise, einseitige Erhitzung zu Formen, wie dies in Ergänzung des Form-Rollens durch Plasma-Erhitzen von Stahlplatten im Schiffbau erfolgt. Auch gab es Versuche zum Laserbiegen durch einseitige Strahlerhitzung in wissenschaftlichen Untersuchungen (Uni Erlangen-Nürnberg) im Nachvollzug von Verfahren zur Dünnblechformung in den Suchoi-Flugzeugwerken der früheren UDSSR. Hierbei wurde jedoch mit einem punktförmigen, sequentiell eingesetzten Laserstrahl gearbeitet.
Andererseits sind derartige Verfahren für themoplastische Kunststoffe bislang unbekannt, bis auf eine Anordnung von Taylor und Proops in US 4.119.825 , die eine flexible Heizspirale zur Formung vorzugsweise röhrenförmiger Formteile vorschlugen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, das Verfahren dynamisch zu steuern, d. h. den Energieeintrag in jede Flächeneinheit so lange zu steigern, bis diese den gewünschten Grad der Verformung erreicht, bzw. bei der einzubeziehenden Wärmespeicherung und -Dissipation im jeweiligen Material vor Wiederverfestigung erreichen wird.
Die Veränderung des Energieeintrags kann bei Anwendung einer Laserdioden-Matrix durch die Ansteuerung der einzelnen Läserdioden erfolgen, sei es durch unterschiedlich hohe Ansteuerspannung, oder pulsen bzw. Phsenanschnitt des Steuersignals.
Es ist aber auch möglich, insbesondere zur differenzierten Ausformung kleiner Teilelemente, nur hierfür zusätzliche Formen einzusetzen, die z. B. in üblicher Weise die Folie mit lokal – z. B. durch Bohrungen in ihr – zusätzlich eingesetztem Unterdruck anzieht und kleine Details ausformt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn wechselnde große Elemente mit gleichen Strukturdetails, wie einzelnen Decoren oder feinen Beschriftungen versehen werden sollen.
Bei gescannten Lasern kann sowohl die Strahlintensirät, wie auch die Einwirkungsdauer des Laserstrahl durch Steuerung des Lasers selbst oder entsprechender Ablenk- und Spiegeleinheiten erfolgen.
Dies wird mit beweglichen Linsen- oder Kollimator- Systemen, oder mit mechanisch bewegten Spiegeln erreicht, vorteilhaft jedoch durch elektromechanische Elemente, die Mikrospiegel betätigen – diese sind z. B. in Videoprojektoren industriell erprobt und verbreitet.
Weiter kann die Führung des Laserstrahles auch in elektromechanisch bewegten Glasfaser-Bündeln erfolgen, wie sie z. B. in Laser-Schweißanlagen Verwendung finden.
Zur dynamischen Steuerung des Vorgangs ist es sowohl möglich, die Formveränderung der Materialoberfläche durch optisches Abscannen, wie auch durch mechanische (z. B. Stift-) Sensoren zu erfassen.
Bevorzugt ist dabei die Erfassung mit einer Matrix aus Abstandssensoren, wenn die Soll- und Istwerte der jeweiligen Flächensegmente zur Ansteuerung der jeweils zugehörigen Laserdiode einer Bestrahlungsmatrix verwendet werden.
Im Falle gescannter Laserstrahlen sind andere optische Verfahren, wie z. B. holografische Interferenzmuster-Analysen u. a. m. einsetzbar, deren Werte jedoch jeweils auf den Bezugspunkt hin analysiert und zugeordnet werden müssen.
Ein weiteres, vorzugsweise ergänzendes Verfahren kann in der thermografischen Erfassung der sich formenden Oberfläche bestehen, die über die Erfassung der punktuell sich verändernden Materialtemperatur ebenfalls Rückschlüsse auf die entstehende Form zulässt.
Hier ergeben sich jedoch, je nach Materialtyp, unterschiedliche Wärmeabstrahlung bei sich verändernder Materialdicke. Daher kann es sein, dass schon weit ausgeformtes – und daher dünneres – Material eine geringere Signalstärke im Thermosensor auslöst, als soeben erwärmtes, aber noch nicht ausgeformtes Material. Hinzu treten mögliche Unschärfen durch Verlagerung des Aufnahmewinkels beim Tiefziehen.
Entscheidend für die Genauigkeit und insbesondere die Randschärfe des Ausformung ist, wie schnell der Wärmeeintrag ins Materal im Verhältnis zur darin erfolgenden Wärmmeleitung erfolgen kann, ohne explosive Verformungen oder Verbrennung auszulösen und welcher Spannung das Material ausgesetzt werden kann.
Andererseits verformen sich große Flächenstücke mit entsprechend weit auseinanderliegenden Randeinspannungen durch Wärmeleitung im Material und bestehendem Unterdruck nicht nur an den Eintragsflächen, sondern auch in der Gesamtfläche (”Schüsseln”). Dem ist im einfachsten Falle dadurch abzuhelfen, dass der Unterdruck stets auf der Oberseite der Folien angesetzt wird, dem das Eigengewicht der Folie gegenübersteht.
Im Übrigen kann Schüsseln durch gezielte Umkehung der Druckverhältnisse kompensiert werden, nach dem die Resolidifikation in den Primärzonen des Wärmeeintrags erfolgt ist, gegebenenfalls auch nach selektiver Erwärmung der vorher nicht Wärme-beaufschlagten Zonen. All dies kann durch bekannte Programmstrukturen erfasst und gesteuert werden.
Es ist ferner mit diesem Verfahren möglich, bei einer geeigneten Kombination und Abfolge von segmentierter Erwärmung und Wechsel von Unter- und Überdruck, auch bei dreidimensionaler Ausformung – zumindestens bei einfachen Formen – eine gleichmäßige Wandstärke des zu erzielenden Objekts zu erreichen. Dagegen ist beim klassischen Tiefziehen der Verlauf der Wanddicken neben der Materialstärke u. a. von Parametern der Form und ihrer Übergänge und den Thermogradienten fixiert.
Eine einfache Ausgestaltung vorliegender Erfindung wird in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt:
1 zeigt im Schnitt durch einen entsprechenden Aufbau die verschiedenen Phasen a bis e und h bis i der Ausformung, bei der exemplarisch die Entwicklung einer nahezu rechteckigen Form angestrebt wird. In der erweiterten Ausformung f bis g soll dagegen eine hinterschnittene Aufweitung erzielt werden.

a: Zeigt die Ausgangssituation: Ein Spannrahmen, der ein geschlossenes Volumen 1 darstellt, wird durch Aufdruck auf den Rand einer Folie 2 abgeschlossen. Heizstrahlen 3 erhitzen die Folie zunächst gleichmäßig, während der Rahmen durch die Öffnung 4 evakuiert wird.
b: Aufgrund der Erhitzung in a und dem Unterdruck hat sich die Folie in einer nahezu gleichmäßigen Glockenkurve ausgedehnt. Um sie dem Rechteck anzunähern, werden nun die Infrarotstrahlen 5 gezielt in die obere Biegung der Glockenkurve eingebracht, während sich die Folie an den nicht weiter erhitzten Bereichen abkühlt und wieder fest wird – und es wird weiter evakuiert.
c: Hier zeigt sich das Ergebnis der Wärmeeinstrahlung in b zusammen mit dem Unterdruck: Die Glockenkurve wurde in Richtung Rechteck deformiert. Durch weitere, etwas weiter außen angesetzte Erhitzung der Folie mit den IR-Strahlen 6 und dem Unterdruck 7 entsteht die weiter ans Rechteck angenäherte Form, wenn wiederum der jetzt nicht erhitzte Teil der Folie steif wird.
d: Weiterer Wärmeeintrag 8, hier noch enger in den oberen Wendepunkten der Folienform eingesetzt, formt die Folie oben bereits in ein nur noch leicht verrundete Rechteckform, das als Zwischenergebnis e dargestellt ist.
f: zeigt nun, wie durch Strahlerhitzung 10 an den unteren Wendepunkten der Folienform und Wechsel zu Überdruck im Rahmen 1 auch der untere Teil der Folie in die Endform g gebracht wird, die einem ausgeformten Rechteck mit leicht gerundeten Kanten entspricht.
h: Im Gegensatz zu f erfolgt hier eine weitere Strahlerwärmung 11 der oberen Wendepunkte 12 und 13 und ein weitere Evakuierung 14 des Rahmens 1. Dadurch bilden sich hier Ausstülpungen, die je nach Strahleinsatz Form-Hinterschneidungen 15 und 16 bewirken.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4119825 [0013]

Claims

Verfahren zur dreidimensionalen Formung thermoplastischer Folien ohne Einsatz von Vorformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Formveränderung durch ein- oder beidseitg wechselnden Unter- und Überdruck in Kombination mit einer flächenmäßig begrenzten Erhitzung der zu formenden Folie durch Laserstrahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formung sequentiell in Plastifizierungsphasen nach jeweiligem Durchlauf einer ersten oder vorhergehenden Aufheizung und der zwischenzeitlich erfolgten Rekonsolidierung des Folienmaterial erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie in einem Spannrahmen gehalten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung von Wärmeeintrag und Unter- bzw. Überdruck dynamisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formveränderung der Folie laufend, oder nach jeder Phase der Resolidifikation gemessen und mit der Soll-Form verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch punktförmige mechanische Abtastung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch mechanisches Abfahren (scannen) der durch Abkühlung wieder-verfestigten Folie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch optische Verfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung durch Laser-Interferenzmessung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeeintrag und Verformung durch Infrarot-Thermografie überwacht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung mit einer Matrix aus Laserdioden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden in ihrer Strahlstärke gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdioden sequenziell an- und ausgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung mit einen jeweils entsprechend abgelenkten Laserstrahl erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkung mit beweglichen Linsen- oder Kollimator- Systemen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkung mit mechanisch bewegten Spiegeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkung durch elektromechanische Elemente erfolgt, die Mikrospiegel betätigen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Laserstrahles in elektromechanisch bewegten Glasfaser-Bündeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur beschriebenen Gesamtformung Detailelemente durch Hinzufügen partieller Formelemente konventioneller Art fausgeführt werden können.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass diese partiellen Formelementedurch Bohrungen mit separatem Unterdruck beaufschlagt werden.