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Die Erfindung betrifft eine Tiefziehanlage zum verzugsfreien Tiefziehen elastischer und thermoplastischer flächiger Materialien.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen ist häufig das Auftreten ungewollter und schwer kontrollierbarer Verzüge des tiefzuziehenden Materials zu beobachten. Dies geschieht deshalb, da in Folge des Tiefziehprozesses über die Oberfläche des tiefzuziehenden Materials verteilt stark unterschiedliche Dehnungen und damit Rückstellkräfte des elastisch oder thermoplastisch verformten Materials entstehen. Das hat zum einen den Nachteil, dass die Herstellung formtreuer Bauteile erschwert und häufig erst durch Hinterspritzen dieser möglich ist. Zum anderen sind die variierenden Dehnungen auch bei der Verarbeitung mehrfarbiger, bedruckter oder geprägter Folien visuell sichtbar und somit unerwünscht. Im Allgemeinen ist es mit den bekannten Systemen nicht möglich, eine mit einem aufgedruckten oder geprägten vorgegebenen Muster oder einem Abbild versehene Folie unter Beibehaltung des Prägemusters bzw. des Abbilds proportionstreu tiefzuziehen.
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Insbesondere erlauben es die bekannten Anlagen nicht, Bauteile herzustellen, die eine konstante Wandstärke aufweisen. Darüber hinaus ist es nachteilig, dass die bekannten Systeme aus den vorbenannten Gründen nicht die Verarbeitung dünnerer und somit günstiger Materialien, insbesondere nicht die Verarbeitung von Folien zulassen, ohne dass damit für die Gewährleistung der Formstabilität des tiefgezogenen Materials ein Hinterspritzen des Formteils notwendig würde. Die Verarbeitung dünner Folien wird zusätzlich dadurch erschwert, dass diese häufig nicht die notwendige mechanische Stabilität aufweisen und während des Tiefziehens reißen könnten.
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Die
DE 10 2006 020 667 A1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Freiformfläche mit haptisch und/oder optisch wahrnehmbaren Mikrostrukturen, wobei die Mikrostrukturen als Datensatz festgehalten sind. Das beschriebene Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass die Verzerrungen bei mikrostrukturierten dreidimensionalen Oberflächen genau dann nicht wahrnehmbar sind, wenn die Folie weitestgehend spannungsrelaxiert ist. Dazu ist es notwendig, die über die Fläche unterschiedliche Dehnung der verarbeiteten Folie in Folge des Tiefziehens vorab zu berechnen. In einem darauf folgenden Arbeitsschritt werden die stark gedehnten Stellen entsprechend gestaucht und umgebende Bereiche gedehnt. Damit können Stauchungen und Dehnungen in einem Größenbereich gehalten werden, der für einen Betrachter nicht wahrnehmbar ist und gleichzeitig kann die Formstabilität des Bauteils gewährleistet werden. Damit die gewünschte Relaxation der beim Tiefziehen erzeugten Spannungen möglich ist, wird ein reibungsminderndes Fluid zwischen die Tiefziehfolie und das Tiefziehwerkzeug gebracht. Das vorbenannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die verwendete Folie eine gewisse Dicke aufweisen muss, um ein Reißen dieser während des Tiefziehens zu verhindern. Darüber hinaus führen Gleitmittel, wie sie bei herkömmlichen Tiefziehprozessen eingesetzt werden, nur kurzfristig zu einer dynamischen Gleitreibung. An den Stellen, wo die Tiefziehfolie zuerst die Werkzeugoberfläche des Tiefziehwerkzeuges berührt, entsteht schnell eine Reibungserhöhung, so dass ein Nachgleiten in Bereiche mit späterem Werkzeugkontakt nur bedingt möglicht ist. Ebenso können diese Kontakte zu einer Abnutzung der tiefzuziehenden Folie führen. Gleitmittel, die direkt mit der tiefzuziehenden Folie in Kontakt kommen, erfordern zudem eine spätere Reinigung des erzeugten Bauteils oder Halbzeuges.
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Die
DE 25 11 811 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Ausformen eines Textilstoffes oder einer Kunststofffolie in einer Formmatrize, wobei eine perforierte Membran verwendet wird, so dass eine Einwirkung des unterhalb der Membran erzeugten Unterdrucks durch die Membran hindurch auf das Gewebe oder die Folie ermöglicht wird. Die
DE 10 2006 020 667 A1 betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer dreidimensionalen Freiformfläche und offenbart ein entsprechendes Tiefziehwerkzeug, bei dem Kanäle vorgesehen sind, um ein Gleitmittel zwischen die tiefgezogene Folie und das Tiefziehwerkzeug zwecks Reibungsminimierung einzubringen.
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Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Tiefziehanlage vorzustellen, mit welcher auch dünne Folien verzugsfrei tiefgezogen werden können, ohne dass die hergestellten Bauteile die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile aufweisen. Ebenso sollte sich die erfindungsgemäße Anlage dadurch auszeichnen, dass bei der Verwendung dieser der Kontakt eines Gleitmittels mit der Tiefziehfolie vermieden wird.
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Diese Aufgabe löst erfindungsgemäß eine Tiefziehanlage, die aufweist:
- – ein Tiefziehwerkzeug mit einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur; einen ersten Tiefziehrahmen zum Aufspannen einer elastischen Folie mit einer flächen- und tiefenvariablen Kontur sowie einer dickenvariablen Struktur auf dem Tiefziehwerkzeug;
- – einen zweiten Tiefziehrahmen zum Aufspannen einer Tiefziehfolie mit einer Oberflächenstruktur auf dem Tiefziehwerkzeug und der elastischen Folie;
- – zumindest einen ersten Kanal, über den ein sich zwischen der Oberflächenstruktur des Tiefziehwerkzeugs und der elastischen Folie ausbildender Hohlraum mit einem Unterdruck beaufschlagbar oder mit einem Gleitmittel versetzbar ist; und
- – zumindest einen zweiten Kanal, über den der sich zwischen der elastischen Folie und der Tiefziehfolie ausbildende Zwischenraum mit einem Unterdruck beaufschlagbar ist; wobei
- – durch die elastische Folie ein eventuell verwendetes Gleitmittel, mit dem der sich zwischen der Oberflächenstruktur des Tiefziehwerkszeugs und der elastischen Folie ausbildende Hohlraum versetzbar ist, nicht mit der Tiefziehfolie in Kontakt kommt;
- – die flächen- und tiefenvariable Kontur zumindest in einem Bereich vorliegt, der einem ungenutzten Abschnitt des Tiefziehwerkzeugs zugeordnet ist und zur Aufnahme von Dehnungen dient, die nicht auf den genutzten Abschnitt des Tiefziehwerkzeugs übertragen werden sollen, und wobei
- – die dickenvariable Struktur ein über die Fläche der elastischen Folie variierendes Dehnungsverhalten der elastischen Folie, und, wenn die Tiefziehfolie mit der elastischen Folie im Form- oder Reibschluss steht, der Tiefziehfolie impliziert.
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Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Tiefziehanlage neben der Verarbeitung der eigentlichen, die Oberflächenstruktur aufweisenden Tiefziehfolie, auch das Tiefziehen einer elastischen Folie vorgesehen ist, wobei im tiefgezogenen Zustand die dreidimensionale Oberflächenstruktur des Tiefziehwerkzeugs mit der elastischen Folie und wiederum die elastische Folie auf ihrer gegenüberliegenden Seite mit der Tiefziehfolie in Kontakt steht, wird vermieden, dass die Tiefziehfolie mit einem eventuell verwendeten Gleitmittel in Berührung kommt.
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Erfindungsgemäß weist die elastische Folie eine flächen- und tiefenvariable Kontur auf, die zur Kompensation von Dehnungen dient, die ansonsten das erstellte Bauteil, wie aus dem Stand der Technik bekannt, verzerren würden. Besonders bevorzugt sind die benannten Konturen in Form von Materialdickenverringerungen der elastischen Folie ausgeführt, so dass in diesen Bereichen bei einer Kraftbeaufschlagung der Folie in der Ebene dieser eine verstärkte Dehnung des Materials in den benannten Bereichen auftritt und somit die übrigen Abschnitte der elastischen Folie weitestgehend unbeeinflusst bleiben. Ungenutzte Bereiche des Tiefziehwerkzeugs zeichnen sich in der Regel dadurch aus, dass innerhalb dieser die aufgespannten Folien nicht tiefgezogen werden und dass sie in einem Randbereich des Werkzeugs vorliegen.
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Gleichzeitig weist die elastische Folie dickenvariable Strukturen auf, die ihr ein über die Fläche variierendes Dehnungsverhalten verleihen, wobei diese Struktur beispielsweise mit Hilfe des in der
DE 10 2006 020 667 A1 offenbarten Verfahrens umzusetzen ist. Erfindungswesentlich ist, dass das von den benannten Konturen und Strukturen der elastischen Folie bezüglich dieser hervorgerufene Dehnungsverhalten in Folge einer Kraftbeaufschlagung, bei einem Reib- bzw. Formschluss zwischen der elastischen und der Tiefziehfolie, auf die Tiefziehfolie übertragen wird und die Verformung dieser somit ebenfalls positiv beeinflusst.
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Besonders bevorzugt ist die Oberflächenstruktur der Tiefziehfolie geprägt. Alternativ ist jedoch auch möglich, die Tiefziehfolie mit Hilfe eines Lasers zu strukturieren. Es sind jedoch auch alle weiteren Strukturierungsverfahren denkbar, die eine dauerhafte, d. h. insbesondere formtreue Strukturierung der Tiefziehfolie erlauben. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Tiefziehfolien, die an der Kontaktfläche zu der elastischen Folie strukturiert sind.
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Grundsätzlich ist ein erster Kanal hinreichend, um sowohl für die gewünschte Beaufschlagung des Hohlraums mit einem Unterdruck zu sorgen und um diesen mit einem Gleitmittel zu versetzen, wenn dies nacheinander erfolgt. Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Tiefziehanlage jedoch zwei erste Kanäle auf, von denen je einer für die Beaufschlagung des Hohlraums mit einem Unterdruck und einer für die Zugabe eines Gleitmittels vorgesehen ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet die Oberflächenstruktur ein vorgegebenes Muster ab und ist von einer farbgebenden Schicht bedeckt, deren Farbstruktur über einen Tiefziehprozess auf die Oberflächenstruktur übertragbar ist. Auch hierbei ist von Vorteil, dass die mit einem eventuell makroskopische Strukturen aufweisenden Muster versehene Oberflächenstruktur der Tiefziehfolie nicht mit dem Gleitmittel in Kontakt kommt und darüber hinaus eine geringe und homogene Dicke aufweisen kann, die es erleichtert, mit Hilfe standardisierter Drucktechniken, beispielsweise dem Tintenstrahldruck, bedruckt zu werden. Vorzugsweise ist auch die farbgebende Schicht eine bedruckte Folie.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist zumindest eine der miteinander in Kontakt stehenden Folien und Schichten Strukturen zur Erhöhung des Formschlusses, zum Schutz der Oberflächenstruktur der Tiefziehfolie oder zur Unterstützung der Unterdruckbeaufschlagung des Hohlraums auf. Der benannte Formschluss kann sowohl denjenigen zwischen dem Tiefziehwerkzeug und der elastischen Folie betreffen, aber auch den Formschluss zwischen den Folien bzw. zwischen einer Folie und beispielsweise der zusätzlichen farbgebenden Schicht gemäß einer der vorbenannten Ausführungsformen. Die Strukturen zum Schutz der Oberflächenstruktur der Tiefziehfolie sind derart ausgeführt, dass sie die mechanische Stabilität der Tiefziehfolienoberflächenstruktur erhöhen. Dies können zusätzliche Stütz- und Verstärkungsstrukturen innerhalb der eigentlichen Oberflächenstruktur der Tiefziehfolie, aber auch erhabene Strukturen sein, mit einer vertikalen Ausdehnung, die größer ist als die der Oberflächenstrukturelemente der Tiefziehfolie.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest eine von elastischer Folie und Tiefziehfolie eine bedruckte Folie ist. Ist die Tiefziehfolie die bedruckte Folie und ist vorgesehen, dass das erzeugte Bauteil nach dem Tiefziehen hinterspritzt wird, so ist es zweckmäßig, wenn die elastische Folie zumindest abschnittsweise transparent ausgeführt ist. Des weiteren ist denkbar, dass zumindest eine der Folien eine technische Funktionsbeschichtung aufweist. Auch hierbei sind Beschichtungen jeglicher Art geeignet, die im Hinblick auf die Verwendung des gefertigten Tiefziehbauteils von Vorteil sind. Dies können Hartbeschichtungen, reflexmindernde Beschichtungen, die Haptik verbessernde Beschichtungen oder die Adhäsion erhöhende Beschichtungen sein, die die farbgestalterische Weiterverarbeitung des Tiefziehbauteils ermöglichen.
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Ein weiterer Vorteil der mit der erfindungsgemäßen Tiefziehanlage hergestellten Bauteile ist die Realisierung eines geringeren Wärmegradienten innerhalb der Tiefziehfolie, da kein direkter Kontakt mit der Werkzeugoberfläche und dem Gleitmittel auftritt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt:
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1 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tiefziehanlage; und
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2 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tiefziehanlage.
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Die in 1 dargestellte Tiefziehanlage besteht im Wesentlichen aus einem Tiefziehwerkzeug 1, mit einer elastischen Folie 2 und einer Tiefziehfolie 3, die später die Oberfläche des zu erzeugenden Formteils bzw. Werkzeugs bildet. Für das Aufspannen der elastischen Folie 2 ist ein erster Tiefziehrahmen 4 und für das Aufspannen der Tiefziehfolie 3 auf der elastischen Folie 2 bzw. auf dem Tiefziehwerkzeug 1 ist ein zweiter Tiefziehrahmen 5 vorgesehen. Darüber hinaus ist die elastische Folie 2 erfindungsgemäß mit einer flächen- und tiefenvariablen Kontur 6 ausgestattet, welche dazu dient, während des Tiefziehvorgangs entstehende Dehnungen, die nicht auf den später genutzten Bereich des Bauteils oder Halbzeuges übertragen werden sollen, aufzunehmen. Darüber hinaus sind dickenvariable Strukturen 7 zu erkennen, die je nach Bedarf und in Abhängigkeit der Formgebung des tiefgezogenen Bauteils zur Erzeugung unterschiedlicher Dehnungen in der elastischen Folie 2 als auch in der Tiefziehfolie 3 dienen. Der Reibschluss oder auch Formschluss zwischen der elastischen Folie 2 und der Tiefziehfolie 3 wird durch ein Vakuum unterstützt, das über einen oder mehrere Vakuumkanäle 9 erzeugt wird. Darüber hinaus ist die Tiefziehfolie 3 mit einer Prägestruktur 10 versehen, die bei dünnen Tiefziehfolien 3 die Foliendicke beträchtlich schwanken lässt und demzufolge auch zu einer Variation der Dehnung in den dünnen Folienbereichen führen würde. Da jedoch vorgesehen ist, dass die Tiefziehfolie 3 im Reibschluss oder auch im Formschluss mit der elastischen Folie 2 steht, kann die Dehnung der dünnen Folienbereiche durch die vergleichsweise dicke oder mit höherem Dehnungswiderstand ausgestattete elastische Folie 2 nahezu vollständig kompensiert werden.
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Während des Tiefziehprozesses ist vorgesehen, mittels Injektions- und Vakuumkanälen 8 ein Gleitmittel in den zwischen der elastischen Folie 2 und dem Tiefziehwerkzeug 1 erzeugten Hohlraum zu- und aus diesem wieder abzuführen. Dieser Prozess lässt sich mehrfach wiederholen, so dass eine tiefgezogene Folie 2, 3 erzeugbar ist, die über ihre gesamte später genutzte Oberfläche einen nahezu gleichen Spannungszustand aufweist. Die so erstellten Bauteile oder Halbzeuge zeichnen sich durch homogene Wandstärken und geringe Verzüge aus und erlauben geringere Grundwandstärken. Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Tiefziehanlage die zuverlässige Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse, da zum einen die Gefahr des Reißens der Tiefziehfolie 3 minimiert ist und zum anderen die verzerrungsfreie Abbildung von fotorealistischen Farbstrukturen ermöglicht wird.
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Wie zu erkennen ist, kommt im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen ein eventuell verwendetes Gleitmittel nicht mit der Tiefziehfolie 3 in Kontakt, so dass bei der dargestellten Tiefziehanlage auch die daraus folgenden Nachteile ausgeschlossen werden können.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tiefziehanlage, mit einem Tiefziehwerkzeug 1, einer elastischen Folie 2, einer Tiefziehfolie 3, einem ersten Tiefziehrahmen 4 für die elastische Folie 2 und einem zweiten Tiefziehrahmen 5 für die Tiefziehfolie 3. Wiederum ist die elastische Folie 2 mit flächen- und tiefenvariablen Konturen 6 sowie dickenvariablen Strukturen 7 ausgestattet, um die mit Bezug auf 1 offenbarten technischen Effekte zu realisieren. Ebenfalls dargestellt sind wiederum ein erster Kanal 8 und ein zweiter Kanal 9. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 1 weist die dargestellte Tiefziehfolie 3 eine Oberflächenstruktur auf, die ein vorgegebenes Muster abbildet und ist von einer farbgebenden Schicht 11 bedeckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die von der farbgebenden Schicht 11 gebildete Farbstruktur in Folge eines Tiefziehprozesses und einem eventuellen Hinterspritzen des Formteils auf dieses und unter Berücksichtigung des vorgegebenen Musters, d. h. vor allem positionstreu übertragen wird. Auch hierbei ist besonders vorteilhaft, dass die farbgebende Schicht 11 nicht mit einem Gleitmittel in Kontakt kommt und darüber hinaus derart ausgeführt sein kann, dass sie über eine homogene Dicke verfügt, wodurch das Bedrucken der farbgebenden Schicht 11 mit Hilfe standardisierter Drucktechniken, beispielsweise mittels des Tintenstrahldruckverfahrens, erleichtert wird.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tiefziehwerkzeug
- 2
- elastische Folie
- 3
- Tiefziehfolie
- 4
- erster Tiefziehrahmen
- 5
- zweiter Tiefziehrahmen
- 6
- flächen- und tiefenvariable Kontur
- 7
- dickenvariable Struktur
- 8
- erster Kanal
- 9
- zweiter Kanal
- 10
- Prägestruktur
- 11
- farbgebende Schicht
