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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Thermoformen von Zuschnitten aus Kunststoff-Flachmaterial und ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
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Thermoforming ist eine zur Fertigung von Hohlkörpern aus Kunststoff wie etwa Verpackungsschalen oder Kältegeräte-Innenbehältern gebräuchliche Technik. Sie umfasst herkömmlicherweise einen ersten Schritt des Erwärmens eines Zuschnitts aus thermoplastischem Kunststoff auf Erweichungstemperatur und einen zweiten Schritt des Anformens des Zuschnitts an ein die Form des zu fertigenden Hohlkörpers vorgebendes Formwerkzeug.
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Das Formwerkzeug kann selber ein Hohlkörper sein, an dessen Innenflächen der Zuschnitt durch Evakuieren des Zwischenraums zwischen ihm und dem Formwerkzeug zur Anlage gebracht wird. Dabei ergibt sich - insbesondere wenn der zu formende Hohlkörper eine im Vergleich zur Kantenlänge des ursprünglichen Zuschnitts große Tiefe aufweist, das Problem, dass der Zuschnitt in dem Moment, in dem er sich an die Oberfläche des Formwerkzeugs anschmiegt, im Wesentlichen nicht mehr streckt, mit der Folge, dass die Wandstärke des erhaltenen Hohlkörpers mit zunehmender Auslenkung aus der Ebene des ursprünglichen Zuschnitts immer kleiner wird. Wenn der zu fertigende Hohlkörper etwa ein Innenbehälter eines Kältegeräts ist, dann hat dies zur Folge, dass die Wandstärke an den Seitenwänden des Innenbehälters von vorne nach hinten und an der Rückwand von der Mitte zu den Rändern abnimmt und an den die Rückwand umgebenden Kanten des Innenbehälters minimal wird.
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Um diesen Effekt zu vermeiden, umfasst die Fertigung eines Innenbehälters herkömmlicherweise einen Schritt des Formens einer Vorblase, in dem der aufgeweichte und nur an seinen Rändern festgehaltene Zuschnitt einer Druckdifferenz ausgesetzt und dabei blasenartig ausgelenkt wird. Da die Auslenkung ohne Kontakt mit einer Oberfläche stattfindet, kann das Flachmaterial dabei gleichmäßig gedehnt werden. Zum Kontakt mit einer Oberfläche kommt es hier erst in einem anschließenden Schritt, in welchem in die hohle Seite der Vorblase ein erhabenes Formwerkzeug eingeführt und durch Evakuieren des Zwischenraums zwischen dem Formwerkzeug und der Vorblase letztere an das Formwerkzeug angeformt wird.
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Der Kunststoff muss in Kontakt mit dem Formwerkzeug unter seine Erweichungstemperatur abkühlen, um den fertigen Hohlkörper ohne nachträgliche Deformation vom Formwerkzeug lösen zu können. Je heißer das Formwerkzeug beim ersten Kontakt mit dem Kunststoff ist, umso länger dauert die Abkühlphase, und umso geringer ist die Produktivität der Fertigung. Wenn allerdings das Formwerkzeug bereits beim ersten Kontakt kälter als der Kunststoff ist, versteift dieser in Kontakt mit dem Formwerkzeug und kann sich daher nicht mehr im erforderlichen Maße dehnen. Es entsteht dadurch ein Hohlkörper, der an den zuerst mit dem Formwerkzeug in Kontakt getretenen Stellen eine relativ hohe Wandstärke, in deren Umgebung aber eine niedrige Wandstärke aufweist, die zu unzureichender mechanischer Stabilität und zu auch als Abschreckmarken bezeichneten sichtbaren Unebenheiten der Wände des Hohlkörpers führen kann.
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Die
JP 2001-205 694 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verpackungsbehälters, der eine gleichmäßige Wandstärke hat.
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Die
DE 10 2011 102 031 A1 offenbart ein Formwerkzeug zum Verformen eines Innenverkleidungsteils eines Fahrzeugs.
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Die
DE 23 60 239 A1 offenbart ein Verfahren zur Warmverformung zweier Kunststoffplatten.
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Die
EP 1 561 565 A1 offenbart eine Vorstreckvorrichtung für eine Thermostation.
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Die
DE 10 2011 002 949 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren für einen Verdampfer eines Haushaltskältegeräts.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Formwerkzeug für das Thermoformen zu schaffen, das kurze Zykluszeiten bei hoher Fertigungsqualität ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Werkzeug zum Thermoformen mit einem metallischen Grundkörper, der im Querschnitt konvexe Oberflächenbereich des Werkzeugs durch einen an den Grundkörper angefügte Kunststoffkörper gebildet ist, wobei das Werkzeug die Form eines von einer Grundplatte abstehenden Quaders hat und die Kunststoffkörper die von der Grundplatte abgewandten Ecken des Quaders bilden, und dass ein Großteil einer von der Grundplatte abgewandten Scheitelfläche des Quaders von dem metallischen Grundkörper gebildet ist.
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Die schlechtere Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffkörpers wirkt einer vorzeitigen Abkühlung und Versteifung des sich an den Kunststoffkörper anschmiegenden Materials entgegen und verhindert so Inhomogenitäten der Wandstärke auch dann, wenn der Grundkörper kälter ist als das daran angeformte Material. Daher kann die Wartezeit bis zum Entformen des fertigen Hohlkörpers kurz gehalten werden.
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Der Kunststoffkörper sollte temperaturbeständig sein und nicht zum Anhaften am Material des Zuschnitts neigen. Beide Anforderungen werden durch ein Fluorpolymer, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) erfüllt.
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Um sicherzustellen, dass die Ecken des Formwerkzeugs den während des Formens weichen Rohling nicht durchstoßen, sollten sie mit einem nicht zu kleinen Krümmungsradius von wenigstens 10 mm abgerundet sein.
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Der einfacheren Fertigung wegen können je zwei dieser Ecken in einem Kunststoffkörper zusammengefasst sein. Ein solcher Kunststoffkörper kann sich insbesondere entlang einer kurzen Kante einer von der Grundplatte abgewandten Scheitelfläche des Quaders erstrecken.
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Um einen kontinuierlichen Übergang zwischen den Seiten des Quaders zu schaffen und in dem zu fertigenden Hohlkörper die Entstehung von eng begrenzten Stellen zu vermeiden, die deutlich stärker als ihre Umgebung verformt oder gedehnt sind und dadurch zu Schwachstellen des fertigen Hohlkörpers werden könnten, kann der Kunststoffkörper einen kreissektorförmigen, insbesondere viertelkreisförmigen, Querschnitt aufweisen.
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Der notwendige Halt des Kunststoffkörpers am Grundkörper kann über eine Steckverbindung mit wenigstens einem in eine Bohrung eingreifenden Zapfen gegeben sein.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum wirtschaftlichen Fertigen von Hohlkörpern hoher Qualität zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch Thermoformen unter Verwendung eines Werkzeugs wie oben beschrieben.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorzugsweise an einem erwärmten Zuschnitt aus Kunststoff-Flachmaterial zunächst eine Vorblase geformt, das Werkzeug in die Vorblase eingeführt und die Vorblase an das Werkzeug angeformt, vorzugsweise durch Ansaugen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt durch einen zu einer Vorblase verformten Zuschnitt aus Kunststoff-Flachmaterial;
- 2 eine auseinandergezogene Ansicht des in die Vorblase der 1 eingeführten Formwerkzeugs; und
- 3 einen zu 1 analogen Schnitt während des Abziehens eines fertigen Innenbehälters vom Formwerkzeug.
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Die Figuren veranschaulichen die Anwendung der Erfindung im Rahmen der Fertigung eines Innenbehälters für ein Kältegerät. Ein rechteckiger Zuschnitt 1 aus einem thermoplastischen Kunststoff wird zunächst entlang seiner Ränder zwischen zwei Rahmen 2, 3 eingespannt und in an sich bekannter Weise, z.B. mit Hilfe eines (in der 1 nicht dargestellten) Infrarotstrahlers auf Erweichungstemperatur erwärmt. Der Zuschnitt 1 wird auf einer Seite einem Überdruck ausgesetzt, um ihn zu einer Vorblase aufzudehnen.
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Im Fall der 1 liegt dem Zuschnitt 1 auf der vom Überdruck abgewandten Seite ein Steg 4 gegenüber, der ein Ausweichen des Zuschnitts 1 lokal verhindert und so dazu führt, dass eine Vorblase mit zwei Hohlräumen 5, 6 auf verschiedenen Seiten des Stegs 4 entsteht, die im Laufe der weiteren Fertigung zu Innenbehältern für z.B. ein Normalkühlfach und ein Gefrierfach geformt werden sollen.
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Formwerkzeuge 7, 8 zum Formen dieser Innenbehälter werden in die Hohlräume 5, 6 eingeführt..
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Die Formwerkzeuge 7, 8 haben jeweils die Form eines Quaders mit abgerundeten Ecken und Kanten, die auf einer gemeinsamen Grundplatte 9 angeordnet sind. Die vertikalen Kanten 10 und die eine Scheitelfläche 11 umgebenden Kanten 12, 13 des Quaders sind konvex abgerundet, und die Ecken, an denen die Kanten 10, 12, 13 aufeinandertreffen, haben jeweils die Form einer Achtelkugel oder eines Achtel-Ellipsoids; um eine auf der Grundplatte 9 aufliegende Basisfläche 14 des Quaders herum bilden konkav abgerundete Kanten 15 einen kontinuierlichen Übergang zwischen den Seitenflächen des Quaders und der Grundplatte 9.
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In 1 sind die Formwerkzeuge 7. 8 in einer teilweise in die Hohlräume 5, 6 eingefahrenen Stellung gezeigt. In dieser Stellung kommt es zu einem Kontakt zwischen den die Scheitelfläche 11 umgebenden Ecken der Formwerkzeuge 7, 8 und der Zuschnitt 1.
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In einer vollständig eingefahrenen Stellung verschließt die Grundplatte 9 dicht eine Öffnung des unteren Rahmens 3.
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In dieser Stellung wird ein Zwischenraum 16 zwischen den Formwerkzeugen 7, 8 und dem Zuschnitt 1 evakuiert, um den Zuschnitt 1 an den Formwerkzeugen 7, 8 zur Anlage zu bringen. Dabei dehnt sich der Kontakt zwischen dem Zuschnitt 1 und den Formwerkzeugen 7, 8 von den die Scheitelfläche 11 umgebenden Ecken der Formwerkzeuge 7, 8 zunächst auf die kurzen Kanten 12 der Scheitelfläche 11 aus. Wenn der Zuschnitt 1 im Kontakt mit diesen Kanten 12 Wärme abgibt, nimmt seine Dehnbarkeit im Kontaktbereich ab, mit der Folge, dass der Zuschnitt 1 in der unmittelbaren Umgebung des Kontaktbereichs beim Anformen an die Scheitelfläche 11 und insbesondere an die zu diesen Kanten 12 benachbarten Ränder der Seitenflächen stark gedehnt und seine Wandstärke dementsprechend stark vermindert wird.
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Um eine unerwünschte Wärmeabgabe vom Zuschnitt 1 an die Formwerkzeuge 7, 8 zu minimieren, haben die Formwerkzeuge 7, 8 einen in 2 am Beispiel des das Gefrierfach formenden Werkzeugs 8 erläuterten Aufbau: Ein Grundkörper 17 des Formwerkzeugs 8 besteht aus gut wärmeleitendem Metall, insbesondere aus Aluminium. Der Grundkörper 17 hat im Wesentlichen die Form eines Quaders, der die ebene, rechteckige Scheitelfläche 11, vier im Wesentlichen rechtwinklig zu der Scheitelfläche 11 verlaufende Wandflächen 18, 19, die im Querschnitt viertelkreisförmig abgerundeten, einen knickfreien Übergang zwischen den Wandflächen 18, 19 bildenden vertikalen Kanten 10 sowie die langen Kanten 13 zwischen der Scheitelfläche 11 und den Wandflächen 19 bildet. Entlang der kurzen Kanten 12 erstecken sich Aussparungen 20 zwischen der Scheitelfläche 11 und den Wandflächen 18. Die einander paarweise gegenüberliegenden Wandflächen 18 bzw. 19 können leicht zur Scheitelfläche 11 hin konvergieren, um das Abziehen eines fertig geformten Innenbehälters vom Werkzeug 8 zu erleichtern.
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Die Aussparungen 20 haben jeweils zwei zueinander orthogonale Begrenzungsflächen 21, 22. Die Begrenzungsfläche 21 grenzt über eine scharfe Kante an die Scheitelfläche 11 an und verläuft parallel zu den Wandflächen 18, die Begrenzungsfläche 22 grenzt über eine scharfe Kante an die Wandfläche 18 an und verläuft parallel zur Scheitelfläche 11.
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Zwei langgestreckte Kunststoffkörper 23 sind vorgesehen, um die Aussparungen 20 auszufüllen. Die Kunststoffkörper 23 haben zwei Kopfabschnitte 24, jeweils in Form einer Achtelkugel, und einen die Kopfabschnitte 24 verbindenden Stababschnitt 25 in Form eines Viertelzylinders. Die Außenseite des Viertelzylinders bildet jeweils eine abgerundete Kante zwischen der Scheitelfläche 11 und den Wandflächen 18; die Achtelkugeln bilden einen kontinuierlichen Übergang zwischen den an einer Ecke aufeinandertreffenden gerundeten Kanten 12, 13 und 10.
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Über eine der Begrenzungsflächen, hier die Begrenzungsfläche 21, steht ein kurzer Zapfen 26 über, und eine zu dem Zapfen 26 komplementäre Bohrung 27 ist in dem Kunststoffkörper 23 gebildet. Durch reibschlüssigen Eingriff des Zapfens 26 in die Bohrung 27 ist der Kunststoffkörper 23 am Grundkörper 17 in einer Stellung fixierbar, in der die Außenflächen des Kunststoffkörpers 23 bündig an die Scheitelfläche 11, die Wandfläche 18 und die Kanten 13, 10 anschließen.
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Die Kunststoffkörper 23 haben ein wesentlich geringeres Wärmeleitvermögen als das Metall des Grundkörpers. Die Kunststoffkörper können z.B. aus PTFE mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,24 W/m*K bestehen, im Vergleich zu Aluminium mit einer Wärmeleitfähigkeit von 200 W/m*K im Falle des Grundkörpers. Aufgrund des geringen Wärmeleitvermögens kühlen die Bereiche des Zuschnitts 1, die beim Einführen der Formwerkzeuge 7, 8 und beim Evakuieren des Zwischenraums 16 mit den Kunststoffkörpern 23 in Kontakt kommen, auch dann nur langsam aus, wenn die Temperatur der Kunststoffkörper 23 niedriger ist als die des Zuschnitts 1. Daher bleibt der Zuschnitt 1 in Kontakt mit den Kunststoffkörpern 23 noch geraume Zeit plastisch dehnbar und ist es auch dann noch, wenn er beginnt, sich jenseits der Grenzen der Kunststoffkörper 23 an den Grundkörper 17 anzuschmiegen.
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Eine niedrige Temperatur des Grundkörpers 17 führt zu schneller Erhärtung des daran angeformten Zuschnitts, so dass ein aus dem Zuschnitt 1 erhaltener fertiger Innenbehälter 28 nach kurzer Abkühlzeit wie in 3 gezeigt vom Formwerkzeug 8 abgezogen werden kann. Der während des Anformens am Kunststoffkörper 23 anliegende Teil 29 des Innenbehälters 28 ist infolge seiner kleinen Abmessungen und seiner Wölbung selbst dann formstabil genug, um abgezogen werden zu können, wenn er noch nicht so weit abgekühlt ist wie die am Grundkörper 17 anliegenden Teile des Innenbehälters. Andererseits ist eine schnelle Abkühlung des am Kunststoffkörper 23 anliegenden Teils 29 des Innenbehälters 28, falls zum Entformen notwendig, aufgrund der exponierten Lage dieses Teils 29 und der Tatsache, dass er vom metallischen Grundkörper 17 durch den Kunststoffkörper 23 isoliert ist, problemlos realisierbar, z.B. durch Anblasen mit Kaltluft.
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So kann dank des Kunststoffkörpers 23 das Formwerkzeug 8 mit hoher Taktrate betrieben werden, und es werden Innenbehälter 28 erhalten, bei denen der Unterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Wandstärke deutlich geringer ist als bei einem mit einem rein metallischen Werkzeug geformten Innenbehälter.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zuschnitt
- 2
- Rahmen
- 3
- Rahmen
- 4
- Steg
- 5
- Hohlraum
- 6
- Hohlraum
- 7
- Formwerkzeug
- 8
- Formwerkzeug
- 9
- Grundplatte
- 10
- Kante
- 11
- Scheitelfläche
- 12
- Kante
- 13
- Kante
- 14
- Basisfläche
- 15
- Kante
- 16
- Zwischenraum
- 17
- Grundkörper
- 18
- Wandfläche
- 19
- Wandfläche
- 20
- Aussparung
- 21
- Begrenzungsfläche
- 22
- Begrenzungsfläche
- 23
- Kunststoffkörper
- 24
- Kopfabschnitt
- 25
- Stababschnitt
- 26
- Zapfen
- 27
- Bohrung
- 28
- Innenbehälter
- 29
- anliegender Teil
