DE102013214592A1

DE102013214592A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Thermoformen von Kunststoffprodukten

Info

Publication number: DE102013214592A1
Application number: DE201310214592
Authority: DE
Inventors: Benjamin Neubig
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: DE102013214592B4

Abstract

Ein Verfahren zum Thermoformen von Kunststoffprodukten weist folgende Verfahrensschritte auf: a) homogenes Vorwärmen eines aus thermoplastischem Material bestehenden, insbesondere platten- oder folienförmigen Halbzeugs (2) auf eine untere Prozesstemperatur mittels wenigstens einer Heizeinrichtung (3), b) Umformen des Halbzeugs (2) in einen Formraum (14) des Formwerkzeugs (1) mittels Beaufschlagung mit einer mechanischen Kraft und/oder Unter- oder Überdruck-Beaufschlagung, und c) zusätzliches Erwärmen des Halbzeugs (2) in selektiven Teilbereichen (T) mittels wenigstens einer Bestrahlungseinrichtung (5) mit einer temperaturerhöhenden Strahlung (15) bis zum Erreichen eines thermoelastischen Zustands vor und/oder während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens des Halbzeugs (2) während des durch das Formwerkzeug (1) bestimmten Umformens in den Formraum (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Thermoformen von Kunststoffprodukten nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Thermoformen von Kunststoffprodukten.
Beim mechanischen und/oder pneumatischen Thermoformen werden flächige thermoplastische Halbzeuge, vorzugsweise in Folien- oder Plattenform, bis in den thermoelastischen Zustand hinein erwärmt und anschließend mechanisch und/oder durch das Aufbringen einer Druckdifferenz zwischen Halbzeugoberseite und Halbzeugunterseite zu einem dreidimensionalen Formteil umgeformt. Wird das so aus dem Halbzeug erzeugte Werkstück unter Formzwang auf eine Temperatur abgekühlt, bei der es formstabil ist, kann es entformt werden.
Derzeit übliche Verfahren zum pneumatischen Thermoformen sind das sogenannte Vakuumformen oder das Druckluftformen, bei denen das Umformen des Rohlings und der Formzwang durch dessen Beaufschlagung durch Vakuum und/oder Druckluft bewerkstelligt ist.
Beim Thermoformen ergeben sich grundsätzliche Probleme bei der Umformung, die auf der großflächigen Erwärmung ebener und ggf. dünner Kunststoffmaterialien und dem nachfolgenden Formen durch Einsaugen des Kunststoffmaterials beim Vakuumumformen bzw. Einblasen des Kunststoffmaterials beim Druckluftformen in ein entsprechend geformtes Werkzeug basieren. Insbesondere bei der Ausformung von scharfen Ecken und Kanten kommt es häufig zu einer unerwünscht starken Ausdünnung des Kunststoffmaterials, was im Einzelfall zu einem Materialversagen oder einer schadhaften Stelle, beispielsweise in Form einer Bruchstelle oder einer Öffnung, im Werkstück führen kann.
Die Erwärmung des Halbzeugs erfolgt in konventionellen Thermoformprozessen über Konvektions-, Kontakt- oder Strahlerheizungen.
Konvektionsöfen werden in der Regel gezielt zur homogenen Vorwärmung der Halbzeuge eingesetzt. Eine lokal unterschiedliche Erwärmung über Konvektion kann nur indirekt über ein Abkühlen mittels Kaltluft, die beispielsweise ein Kaltluftföhn erzeugt, an gezielten Teilbereichen nach der eigentlichen Erwärmung erfolgen. Die lokale Abkühlung des Halbzeugs mittels Wärme abführender Kaltluft besitzt den Nachteil, dass die zuvor in das Halbzeug eingebrachte Energie wieder abgeführt wird und so Energie verschwendet wird. Darüber hinaus lassen sich keine fein aufgelösten und genau definierten Temperaturprofile durch das Abkühlen mittels Kaltluft erstellen.
In der DE 10 2008 062 199 A1 ist eine Kontaktheizeinrichtung beschrieben, die aus einzelnen Heizkreisen, bestehend aus einer keramischen Heizschicht, aufgebaut ist. Hierbei wird eine lokal unterschiedliche Erwärmung des Halbzeugs über eine lokal unterschiedliche geometrische Ausbildung der Heizkreise auf dem Träger erreicht. Kontaktheizsysteme haben generell den Nachteil, dass sie verfahrensgemäß in Kontakt mit dem Halbzeug stehen, wodurch es zu einem Anhaften des Halbzeugs an der Kontaktheizung kommen kann. Formteile, bei denen eine hohe Oberflächengüte gefordert wird, sind mit Kontaktheizeinrichtungen schwer herzustellen.
In der DE 103 49 156 B4 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem eine zusätzliche lokale Erwärmung durch die zusätzliche Beaufschlagung des Halbzeugs mit einer Laserstrahlung erfolgt. Ein Temperaturprofil auf dem Halbzeug kann durch eine lokal unterschiedliche Leistung des Laserstrahls erstellt werden. Die zusätzliche Erwärmung des Halbzeugs mittels Laserstrahlung hat zwar den Vorteil, dass dadurch sehr feine und sehr genau definierte Temperaturprofile auf dem Halbzeug erstellt werden können. Jedoch ist der Laserfokus mit Durchmessern von nur wenigen Millimetern meist sehr klein im Vergleich zu der Fläche des Halbzeugs, die unter Umständen mehrere Quadratmeter groß sein kann. In dem in der DE 103 49 156 B4 dargestellten Verfahren wird der Laserstrahl durch eine schnell arbeitende Ablenkeinheit für eine quasisimultane Erwärmung der Halbzeugoberfläche gelenkt. Trotz sehr schneller Ablenkung ist es aber nicht möglich, größere Teilbereiche von beispielsweise mehreren Quadratzentimetern oder verschiedener Teilbereiche, die in größerer Entfernung über der Halbzeugfläche verteilt sind, wirklich zeitgleich, also simultan, zu erwärmen. Darüber hinaus erfordert der Betrieb eines Lasersystems innerhalb einer Thermoformmaschine erheblich höhere Sicherheitsanforderungen an die gesamte Maschine, welche zu erfüllen sind. Beispielsweise sollte sichergestellt sein, dass zu keiner Zeit Laserstrahlung aus der Maschine nach außen gelangen kann. Eine vollständige Kapselung einer Thermoformmaschine ist jedoch schwierig, da an der Maschine beispielsweise die Zuführung des Halbzeugs oder die Abführung eines Stanzgitters zu erfolgen hat.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Thermoformen eines Kunststoffproduktes zu schaffen, welche in der Lage ist, mit möglichst geringem Energieeinsatz eine schnelle Temperierung des zur Herstellung des Kunststoffproduktes benötigten Halbzeugs nur an den gewünschten Stellen zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung mit den in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Varianten und Ausführungsformen der Erfindung.
Zur Lösung dieser Problematik sieht die Erfindung ein Verfahren zum Thermoformen von Kunststoffprodukten mit folgenden Verfahrensschritten vor:

a) homogenes Vorwärmen eines aus thermoplastischem Material bestehenden, insbesondere platten- oder folienförmigen Halbzeugs auf eine untere Prozesstemperatur mittels wenigstens einer Heizeinrichtung,
b) Umformen des Halbzeugs in einen Formraum des Formwerkzeugs mittels Beaufschlagung mit einer mechanischen Kraft und/oder pneumatischer Unter- oder Überdruck-Beaufschlagung, und
c) zusätzliches Erwärmen des Halbzeugs in selektiven Teilbereichen mittels wenigstens einer Bestrahlungseinrichtung mit einer temperaturerhöhenden Strahlung bis zum Erreichen eines thermoelastischen Zustands vor und/oder während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens des Halbzeugs während des durch das Formwerkzeug bestimmten Umformens in den Formraum. Von Bedeutung ist dabei die zweistufige Aufheizstrategie. Im ersten Aufheizschritt wird das Halbzeug über wenigstens eine Heizeinrichtung, vorzugsweise ein konventionelles Strahlungsheizungssystem, homogen über der Fläche auf eine untere Prozesstemperatur vorgewärmt. In dem zweiten Aufheizschritt werden über die wenigstens eine speziell an das zu formende Bauteil angepasste Bestrahlungseinrichtung, die vorzugsweise als lokales Bestrahlelement ausgestaltet sein kann, bestimmte Teilbereiche des Halbzeugs zusätzlich weiter erwärmt und so ein Temperaturprofil erstellt bzw. der thermoelastische Zustand des Halbzeugs zum Umformen erzeugt. Somit kann die Ausdünnung des Materials unter Ausnutzung des direkten Zusammenhangs zwischen der Verformbarkeit und der Temperatur des thermoplastischen Materials des Halbzeugs gezielt beeinflusst werden. Folglich können flächige Bereiche, bei denen keine scharfen Kanten oder Ecken vorhanden sind, in ihrer Temperatur erhöht werden, so dass sie dort leichter fließen und zu einer unkritischen Verdünnung der Materialstärke des Werkstücks führen. Die kälteren Teilbereiche des Halbzeugs, die beispielsweise bei den oben genannten Ecken oder Kanten liegen, bleiben dann in ihrer Materialstärke dicker und sind damit weniger anfällig gegen ein Materialversagen oder ein Entstehen einer schadhaften Stelle, beispielsweise in Form einer Bruchstelle oder einer Öffnung. Des Weiteren kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl auf großen Halbzeugflächen als auch auf kleinen Halbzeugflächen ein fein aufgelöstes Temperaturprofil erstellt werden, wobei die Erwärmung bestimmter Teilbereiche des Halbzeugs daher in vorteilhafter Weise simultan erfolgt. Alternativ kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein grob aufgelöstes Temperaturprofil auf großen Halbzeugflächen oder ein sehr fein aufgelöstes Temperaturprofil auf nur sehr kleinen Halbzeugflächen erstellt werden. Durch die berührungslose Erwärmung über die Bestrahlungseinrichtung können hohe Oberflächenqualitäten, z. B. für technische Bauteile, gewährleistet werden.

Als temperaturerhöhende Strahlung kann eine Infrarot-Strahlung verwendet werden. Vorteil dieser kontaktlosen Wärmeeinbringung in das Halbzeug durch das breitbandige Strahlung emittierende lokale Bestrahlelement ist das ermöglichte präzise Erwärmen eines breiten Materialspektrums an thermoplastischen Kunststoffen. Angefangen bei Polyolefinen über amorphe Typen bis hin zum Hochtemperaturkunststoff können mit dem lokalen Bestrahlelement erwärmt und in den thermoplastischen Zustand überführt werden.
Die Infrarot-Strahlung kann eine Wellenlänge in einem Bereich zwischen 0,8 μm und 4,5 μm, insbesondere in einem Bereich zwischen 1,4 μm und 3,0 μm, aufweisen. Von Vorteil ist, dass die Infrarot-Strahlung im mittelwelligen Spektrum liegt, also im Eigenabsorptionsbereich gängiger Thermoplaste.
Die Infrarot-Strahlung kann mittels wenigstens einer Metallfolie simultan auf alle zusätzlich zu erwärmenden Teilbereiche des Halbzeugs gerichtet werden. Von Vorteil ist, dass die als Strahlungssystem dienenden Metallfolien sehr kurze Reaktionszeiten aufweisen.
Zudem kann die Infrarot-Strahlung senkrecht gerichtet auf eine Oberfläche des Halbzeugs auftreffen. Dadurch sind die Überführung des Materials des Halbzeugs in den thermoelastischen Zustand schneller und energiesparender erfolgen kann und kürzere Zykluszeiten realisierbar.
Das Erwärmen auf die untere Prozesstemperatur mittels der Heizeinrichtung kann vor dem Umformen und/oder vor dem zusätzlichen Erwärmen des Halbzeugs erfolgen. Von Vorteil ist, dass die Überführung des Materials des Halbzeugs in den thermoelastischen Zustand schneller und energiesparender erfolgen kann und kürzere Zykluszeiten realisierbar sind.
Das Erwärmen des Halbzeugs mittels der Heizeinrichtung kann vor dem Erwärmen mittels der Bestrahlungseinrichtung erfolgen.
Das Erwärmen des Halbzeugs mittels der Bestrahlungseinrichtung kann vor dem Erwärmen mittels der Heizeinrichtung erfolgen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 7 angegeben. Die Vorrichtung zum Thermoformen von Kunststoffprodukten umfasst:

a) ein Formwerkzeug für ein Halbzeug aus einem thermoplastischen Material,
b) wenigstens eine Heizeinrichtung zur homogenen Vorwärmung des Halbzeug auf eine untere Prozesstemperatur, und
c) eine mechanische und/oder pneumatische Einrichtung zur Beaufschlagung des Halbzeugs mit einer mechanischen Kraft und/oder pneumatischem Unter- oder Überdruck zum Umformen des Halbzeugs in einen Formraum des Formwerkzeugs, wobei
d) wenigstens eine Bestrahlungseinrichtung zur zusätzlichen Erwärmung des Halbzeugs in selektiven Teilbereichen mit einer temperaturerhöhenden Strahlung bis zum Erreichen eines thermoelastischen Zustands vor und/oder während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens des Halbzeugs während des durch das Formwerkzeug bestimmten Umformens in den Formraum vorgesehen ist. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, das flächige Halbzeug in selektiven Teilbereichen stärker zu erwärmen, um anschließend gezielt diese Bereiche während der Umformung stärker verstrecken zu können. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, gezielt nur die kritischen Bereiche des Halbzeugs zu temperieren, beispielsweise diejenigen, an denen sich ohne eine derartige Temperierung die oben beschriebenen schadhaften Stellen bilden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine hochdynamische Temperierung des Halbzeugs mit einem relativ geringen Energieeinsatz, da im Vergleich zu bekannten Lösungen es lediglich nötig ist, nur sehr geringe Volumina zu erwärmen und anschließend wieder abzukühlen. Dadurch können auch kurze Zykluszeiten realisiert werden.

Ein weiterer erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass diese aufgrund der geringen Größe der Bestrahlungseinrichtung nur einen geringen Energieeinsatz erfordert, um die Wärme an die gewünschte Stelle des Halbzeugs zu bringen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich demnach insbesondere bei Halbzeugen einsetzen, mit denen Bauteile hergestellt werden, bei denen eine punktuelle Erwärmung in einem bestimmten Bereich des Halbzeugs erforderlich ist. Ein Anwendungsbereich sind beispielsweise hochglänzende Oberflächen von Geräten der Unterhaltungsindustrie, es sind jedoch auch die verschiedensten anderen Anwendungsbereiche denkbar.
Als Bestrahlungseinrichtung kann wenigstens eine Metallfolie, die insbesondere als lokales Bestrahlelement ausgestaltet ist, dienen.
Das Trägerelement kann wenigstens einen Absatz aufweisen, der eine seitliche Emittierung der Strahlung in Seitenränder des Halbzeugs vermeidet, wobei die Bestrahlungseinrichtung auf das Trägerelement montiert oder in das Trägerelement eingebettet ist. Somit ermöglicht das Trägerelement, dass die abgestrahlte Wärme von der wenigstens einen abstrahlenden Metallfolie bzw. der wenigstens einen Bestrahlungseinrichtung gerichtet auf die Oberfläche des Halbzeugs gestrahlt wird.
Die Bestrahlungseinrichtung kann in einer Tiefe in einem Bereich von 0,1 bis 39,9 Millimeter in dem Trägerelement angeordnet sein. Somit kann die gerichtete Abstrahlung durch die geometrische Gestaltung des Trägerelements selbst bewirkt werden, indem das Trägerelement einen Teil der in den Raum abgestrahlten temperaturerhöhenden Strahlung zur Seite hin abschirmt. Dazu kann der Absatz in einem Winkel von 75° bis 115°, insbesondere von 85° bis 95°, gegenüber der Bestrahlungseinrichtung verlaufen. Zudem kann wenigstens ein dem ersten Absatz in Richtung der Mitte des Halbzeugs gegenüberliegender, vorzugsweise schräg verlaufender, zweiter Absatz in einem Winkel von 75° bis 179°, insbesondere von 115° bis 145°, gegenüber der Bestrahlungseinrichtung verlaufen. Durch diese geometrischen Ausgestaltungen des Trägerelements kann die Infrarot-Strahlung in optimierter Weise auf die Oberfläche des Halbzeugs auftreffen bzw. in das Halbzeug eindringen. Von Vorteil ist, dass die Überführung des Materials des Halbzeugs in den thermoelastischen Zustand schneller und energiesparender erfolgen kann und kürzere Zykluszeiten realisierbar sind.
Mit der Bestrahlungseinrichtung ist die Erstellung eines Temperaturprofils über eine unterschiedliche Strahlungsleistung einzelner bestimmter als Strahler dienender Metallfolien ohne dazwischen geschaltete Blenden mit einer feinen Auflösung des Temperaturprofils möglich. Der Grund ist, dass die Bestrahlungseinrichtung bzw. die einzelnen Metallfolien zwar in einem bestimmten Abstand zum Halbzeug stehen, jedoch sich die Strahlungsleistung der einzelnen Metallfolien nicht überlappt. Diese Methode der Temperaturprofilerstellung ist daher sowohl für große Halbzeugflächen für große Bauteile, wie z. B. Badewannen, als auch für kleine Halbzeugflächen für kleine Bauteile, wie z. B. Trinkbecher, geeignet. Dass keine Blenden zum Abschirmen der Wärmestrahlung benötigt werden hat die Vorteile, dass zum einen keine Energie verschwendet wird und zum anderen sich keine Blende im Laufe der Zeit stark mit erwärmt und dadurch selbst zum Strahler wird. Letzteres führt ebenfalls dazu, dass die Auflösung des Temperaturprofils auf dem Halbzeug auch bei längeren Betriebszeiten hoch bleibt.
Das wenigstens eine Trägerelement kann einen inneren Hohlraum aufweisen, der von einem Kühlmittel durchströmt ist. Dazu kann das Trägerelement aus einem keramischen Werkstoff hergestellt sein, der es aufgrund seiner guten thermischen Leitfähigkeit ermöglicht, die über die Bestrahlungseinrichtung in das Formwerkzeug eingebrachte Wärme über die Kühlung des wenigstens einen Trägerelements wieder abzuführen, da der keramische Werkstoff eine thermische Kontaktierung zwischen dem Trägerelement und der Bestrahlungseinrichtung herstellt. Des Weiteren bietet der keramische Werkstoff eine elektrische Isolierung des Trägerelements gegenüber dem Gehäuse und der Bestrahlungseinrichtung.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Temperierung und Umformung eines Halbzeugs in einer geschnittenen Darstellung, und
2 eine Detailansicht der Bestrahlungseinrichtung nach 1.
In 1 ist ein als Ganzes mit 1 bezeichnetes Formwerkzeug erkennbar.
Zum Vorwärmen eines als dünne Platte oder dickere Folie ausgestalteten Halbzeugs 2 ist eine in 2 dargestellte Heizeinrichtung 3 vorgesehen, die eine Strahlung 4 mit vorzugsweise homogener Strahlungsverteilung emittiert. Die Strahlung 4 kann eine Infrarot-Strahlung sein. Die Heizeinrichtung 3 kann als Keramikstrahler ausgeführt sein.
Das vorgewärmte Halbzeug 2 wird zum Umformen unter eine Bestrahlungseinrichtung 5 und an eine Form 6 verbracht. Die Form 6 ist hier beispielhaft zur Erzeugung eines Trinkbechers aus Kunststoff ausgeführt. Am oberen Rand der Form 6 wird das Halbzeug 2 festgelegt. Das Halbzeug 2 kann in nicht näher dargestellter Weise an und/oder in das Formwerkzeug 1 eingespannt werden. Die Form 6 ist über einem Dichtelement 7 auf einem Gehäuse 8 angeordnet, an dem ein Saugstutzen 9 angeschlossen ist. Der Saugstutzen 9 führt zu einer Vakuumpumpe 10, mittels der Vakuumpumpe 10 kann ein unter einem Boden 11 der Form 6 durch das Dichtelement 7 gebildeter Anschlussraum 12 unter Vakuum gesetzt werden. Der Anschlussraum 12 ist über in dem Boden 11 vorgesehene Durchgangskanäle 13 mit einem Formraum 14 verbunden.
Die Form 6 kann in nicht näher dargestellter Weise mit einer Heizeinrichtung zu ihrer Erwärmung auf die Umformtemperatur des Halbzeugs 2 versehen sein. Typische Umformtemperaturen liegen für amorphe Kunststoffe oberhalb deren Glasübergangstemperaturen, die beispielsweise für Polystyrol ca. 80°C, für PVC ca. 90°C und für Polycarbonat ca. 150°C betragen. Teilkristalline Kunststoffe können knapp unter den Kristallitschmelzbereich thermogeformt werden, wobei bei höherer Kristallinität auch die Umformtemperatur höher gewählt werden sollte. Für Polyethylen beispielsweise liegt der Kristallitschmelzbereich bei ca. 125°C + 15°C, die entsprechenden Temperaturen liegen für Polypropylen bei ca. 160°C + 10°C.
Die in 1 dargestellte Vakuum-Thermoformanlage ist mit der zusätzlichen Bestrahlungseinrichtung 5 versehen, mit deren Hilfe das Halbzeug 2 in selektiven Teilbereichen T mit einer temperaturerhöhenden Infrarot-Strahlung 15 vor und während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens beaufschlagt werden kann. Die Bestrahlungseinrichtung 5 weist dazu wenigstens eine Metallfolie 16 auf, die elektrisch angesteuert oder mit elektrischer Energie versorgt wird und dadurch die Infrarot-Strahlung 15 erzeugt. Die Metallfolie 16 kann in der Intensität der zu emittierenden Infrarot-Strahlung 15 genau regelbar sein. Somit ergibt sich ein lokales Bestrahlelement L mit genau geregeltem Emittersystem. Die Metallfolie 16 kann derart ausgestaltet sein, dass diese der Naturkontur des Halbzeugs 2 exakt folgt, wobei dadurch eine geringere elektrische Leistung zum Erwärmen durch die Metallfolie 16 benötigt wird. Zudem weisen die als Strahlungssystem dienenden Metallfolien 16 sehr kurze Reaktionszeiten auf, d. h. sie verfügen über sehr kurze Ein- und Ausschaltzeiten. Eine besonders gute Wärmeleitung und damit eine schnelle Erwärmung der Metallfolie 16 ergibt sich, wenn in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die wenigstens eine Metallfolie 16 aus unterschiedlichen Metallen besteht. Die Infrarot-Strahlung 15 wird mittels eines Trägerelements 17 senkrecht auf eine Oberfläche O des Halbzeugs 2 ausgerichtet. Das Trägerelement 17 kann beispielsweise aus einer Keramik oder wenigstens einem Keramikblock hergestellt sein. Mit Hilfe des Trägerelements 17 kann die Infrarot-Strahlung 15 gezielt und simultan beispielsweise in den ringförmigen Teilbereich T des Halbzeugs 2 eingestrahlt werden, der nach der Umformung den umlaufenden Wandbereich W des herzustellenden Trinkbechers (als gestrichelte Linien in 1 gezeichnet) bildet. Durch die gezielte Temperaturerhöhung in diesem Teilbereich T findet dort eine stärkere Ausdünnung der Wandstärke statt, so dass für die kritischen Bereiche an der Oberkante 18 und in der unteren Ecke 19 der Form 6 mehr Material für die Becherwandung übrig bleibt. Die derart ausgestaltete Bestrahlungseinrichtung 5 mit Metallfolie 16 und Trägerelement 17 arbeitet folglich als lokales Bestrahlelement L, um die selektiven Teilbereiche T zu erwärmen.
Die emittierende Metallfolie 16 kann in vorteilhafter Weise dabei hinsichtlich ihrer Abmessungen und in ihrer geometrischen Formgebung flexibel auf dem wenigstens einem Trägerelement 17 angeordnet werden. Durch die sehr kurzen Reaktionszeiten bzw. Ein- und Ausschaltzeiten der Metallfolie 16 kann diese beispielsweise während der homogenen Erwärmung bzw. Vorwärmung ausgeschaltet werden und trägt dadurch nicht zu einer übermäßigen Erwärmung des Trägerelements bei, wodurch das Trägerelement ggf. bei langandauernden Erwärmungs- oder Vorwärmungsprozessen wieder selbst zum Strahler würde.
Der Formvorgang des Trinkbechers erfolgt ausgehend von der in 1 dargestellten Ausgangsposition durch eine Erwärmung des Halbzeugs 2 auf seine Umformtemperatur mit Hilfe der zweistufigen Aufheizung mittels der Heizeinrichtung 3 und der Bestrahlungseinrichtung 5, sowie anschließendes Beaufschlagen der Form 6 mit Vakuum durch Betätigung der Vakuumpumpe 10. Dabei wird das Halbzeug 2 in den Formraum 14 eingezogen, wobei simultan eine selektive Erwärmung der erwärmten Teilbereiche T durch die Bestrahlungseinrichtung 5 stattfindet. Sobald das Halbzeug 2 in die Endform des Trinkbechers (als gestrichelte Linien in 1 gezeichnet) umgeformt worden ist, kann unter Beibehaltung des Formzwanges mit Hilfe der Vakuumpumpe 10 ein Abkühlen des Trinkbechers stattfinden. Je nach verwendetem Kunststoff kann die Entformungstemperatur zwischen 50°C und ca. 210°C liegen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Erwärmung des Halbzeugs 2 zuerst mit der Heizeinrichtung 3 und anschließend mit der Bestrahlungseinrichtung 5. Alternativ kann in nicht näher dargestellter Weise das Halbzeug 2 zuerst mit der Bestrahlungseinrichtung 5 und anschließend mit der Heizeinrichtung 3 erwärmt werden.
Das wenigstens eine Trägerelement 17 weist wenigstens einen inneren Hohlraum 20 auf, der in nicht näher dargestellter Weise von einem Kühlmittel, das von einer Kühlmittewersorgungseinrichtung bereitgestellt wird, durchströmt ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform könnte die Kühlung auch mit zusätzlichen Kühlschleifen oder ähnlichem realisiert werden, die auf der Oberfläche des Trägerelements 17 angeordnet sind. In diesem Fall könnte auf den Hohlraum 20 in dem Trägerelement 17 verzichtet werden.
Gegebenenfalls kann auf die Kühlung des Trägerelements 17 auch vollständig verzichtet werden, insbesondere wenn der zu temperierende Bereich des lokalen Bestrahlelements L sehr klein ist und die in diesem Bereich eingeleitete Wärme dementsprechend schnell abfließt. Prinzipiell wäre es auch möglich, die Metallfolie 16 mit einer Kühlung zu versehen, was hierin jedoch nicht dargestellt ist.
Die Metallfolie 16 und/oder die Bestrahlungseinrichtung 5 können in nicht näher dargestellter Weise mittels eines keramischen Werkstoffs in einem Gehäuse vergossen sein. Dies stellt zum Einen eine mechanische Stabilisierung der Bestrahlungseinrichtung 5 dar und ermöglicht zum Anderen aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit des keramischen Werkstoffs, die über die Bestrahlungseinrichtung 5 in das Formwerkzeug 1 eingebrachte Wärme über die Kühlung des Gehäuses oder des wenigstens einen Trägerelements 17 wieder abzuführen, da der keramische Werkstoff eine thermische Kontaktierung zwischen dem Trägerelement 17 und der Bestrahlungseinrichtung 5 bzw. der wenigstens einen Metallfolie 16 herstellt.
2 zeigt wie die wenigstens eine Metallfolie 16 in einer Tiefe Ti in einem Bereich von 0,1 bis 39,9 Millimeter in dem Trägerelement 17 angeordnet ist. Das Trägerelement 17 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen ersten Absatz A1 auf, der in einem Winkel W1 von 75° bis 115° gegenüber der Metallfolie 16 verläuft. Zudem verläuft wenigstens ein dem ersten Absatz A1 in Richtung Mitte des Halbzeugs 2 gegenüberliegender, schräg verlaufender zweiter Absatz A2 in einem Winkel W2 von 75° bis 179° gegenüber der Metallfolie 16. Durch diese geometrischen Ausgestaltungen des Trägerelements 17 kann die Infrarot-Strahlung 15 in optimierter Weise auf die Oberfläche O des Halbzeugs 2 auftreffen bzw. in das Halbzeug 2 eindringen und es wird verhindert, dass Seitenränder 21 und 22 des Halbzeugs 2 nicht zusätzlich erwärmt werden.
Zwischen dem Trägerelement 17 und der wenigstens einen Metallfolie 16 ist im vorliegenden Fall wenigstens ein Isolierelement 23 zur thermischen und/oder elektrischen Isolierung angeordnet. Das Trägerelement 17 selbst soll bei dieser Vorrichtungs- bzw. Verfahrensvariante nicht beheizt werden und somit vorteilhaft nicht selbst als Strahler wirken. Dazu ist das wenigstens ein Isolierelement 23 zwischen der Metallfolie 16 und dem Trägerelement 17 angeordnet, so dass das Trägerelement 17 von der abstrahlenden Metallfolie 16 besser abgeschirmt ist und der Effekt, dass das Trägerelement 17 nicht zusätzlich zum Wärmestrahler wird, verbessert wird. Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt darin, dass es das lokale Bestrahlelement L ermöglicht, im Vergleich zu konventionellen Strahlersystemen, deutlich feinere Temperarturprofile auf einer Oberfläche O des Halbzeugs 2 zu erstellen. Weiter ergeben sich im Vergleich zur Erwärmung des Halbzeugs 2 mittels Laserstrahlung die wesentlichen Vorteile, dass größere Teilbereiche auf dem Halbzeug 2 simultan und dadurch insgesamt schneller und gleichmäßiger erwärmt werden können. Zudem sind durch das dargestellte lokale Bestrahlelement L keine zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen, wie sie der Einsatz eines Lasers mit sich bringen würde, an einer Thermoformmaschine erforderlich.
Über in nicht näher dargestellter Weise in die Bestrahlungseinrichtung 5 und/oder die Form 6 eingebrachte Thermoelemente ist der Aufbau einer temperaturgesteuerten Temperierung möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008062199 A1 [0007]
DE 10349156 B4 [0008, 0008]

Claims

Verfahren zum Thermoformen von Kunststoffprodukten mit folgenden Verfahrensschritten: a) homogenes Vorwärmen eines aus thermoplastischem Material bestehenden, insbesondere platten- oder folienförmigen Halbzeugs (2) auf eine untere Prozesstemperatur mittels wenigstens einer Heizeinrichtung (3), b) Umformen des Halbzeugs (3) in einen Formraum (14) des Formwerkzeugs (1) mittels Beaufschlagung mit einer mechanischen Kraft und/oder pneumatischer Unter- oder Überdruck-Beaufschlagung, dadurch gekennzeichnet, dass c) das Halbzeug (2) zusätzlich in selektiven Teilbereichen (T) mittels wenigstens einer Bestrahlungseinrichtung (5) mit einer temperaturerhöhenden Strahlung (15) bis zum Erreichen eines thermoelastischen Zustands vor und/oder während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens des Halbzeugs (2) während des durch das Formwerkzeug (1) bestimmten Umformens in den Formraum (14) erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturerhöhende Strahlung (15) eine Infrarot-Strahlung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Strahlung eine Wellenlänge in einem Bereich zwischen 0,8 μm und 4,5 μm, insbesondere in einem Bereich zwischen 1,4 μm und 3,0 μm, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Strahlung mittels wenigstens einer Metallfolie (16) simultan auf alle zusätzlich zu erwärmenden Teilbereiche (T) des Halbzeugs (2) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Strahlung so ausgerichtet wird, dass sie senkrecht gerichtet auf eine Oberfläche (O) des Halbzeugs (2) auftrifft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen auf die untere Prozesstemperatur mittels der Heizeinrichtung (3) vor dem Umformen und/oder vor dem zusätzlichen Erwärmen des Halbzeugs (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Halbzeugs (2) mittels der Heizeinrichtung (3) vor dem Erwärmen mittels der Bestrahlungseinrichtung (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Halbzeugs (2) mittels der Bestrahlungseinrichtung (5) vor dem Erwärmen mittels der Heizeinrichtung (3) erfolgt.
Vorrichtung zum Thermoformen von Kunststoffprodukten umfassend: a) ein Formwerkzeug (1) für ein Halbzeug (2) aus einem thermoplastischen Material, b) wenigstens eine Heizeinrichtung (3) zur homogenen Vorwärmung des Halbzeugs (2) auf eine untere Prozesstemperatur, und c) eine mechanische und/oder pneumatische Einrichtung (10) zur Beaufschlagung des Halbzeugs (2) mit einer mechanischen Kraft und/oder pneumatischem Unter- oder Überdruck zum Umformen des Halbzeugs (2) in einen Formraum (14) des Formwerkzeugs (1), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Bestrahlungseinrichtung (5) zur zusätzlichen Erwärmung des Halbzeugs (2) in selektiven Teilbereichen (T) mit einer temperaturerhöhenden Strahlung (15) bis zum Erreichen eines thermoelastischen Zustands vor und/oder während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens des Halbzeugs (2) während des durch das Formwerkzeug (1) bestimmten Umformens in den Formraum (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Bestrahlungseinrichtung (5) wenigstens eine Metallfolie (16), die insbesondere als lokales Bestrahlelement (1) ausgestaltet ist, dient.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Bestrahlelement (L) wenigstens ein Trägerelement (17), insbesondere eine Keramik als Trägerelement (17), aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (5) als temperaturerhöhende Strahlung (15) eine Infrarot-Strahlung emittiert.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (17) wenigstens einen Absatz (A1) aufweist, der eine seitliche Emittierung der Strahlung (15) in Seitenränder (21, 22) des Halbzeugs (2) vermeidet, wobei die Bestrahlungseinrichtung (5) auf das Trägerelement (17) montiert oder in das Trägerelement (17) eingebettet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung (5) in einer Tiefe (Ti) in einem Bereich von 0,1 bis 39,9 Millimeter in dem Trägerelement (17) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Absatz (A1) in einem Winkel (W1) von 75° bis 115°, insbesondere von 85° bis 95°, gegenüber der Bestrahlungseinrichtung (5) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein dem ersten Absatz (A1) in Richtung der Mitte des Halbzeugs (2) gegenüberliegender, vorzugsweise schräg verlaufender, zweiter Absatz (A2) in einem Winkel (W2) von 75° bis 179°, insbesondere von 115° bis 145°, gegenüber der Bestrahlungseinrichtung (5) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Isolierelement (23) zwischen der Metallfolie (16) und dem Trägerelement (17) angeordnet ist und/oder das wenigstens eine Trägerelement (17) wenigstens einen inneren Hohlraum (20) aufweist, der von einem Kühlmittel durchströmt ist.