DE102022105840A1

DE102022105840A1 - Verfahren zum Herstellen eines Kunststoff-Formteils

Info

Publication number: DE102022105840A1
Application number: DE102022105840.9A
Authority: DE
Inventors: Georg Michels; Jörg Pütz
Original assignee: Tooz Technologies GmbH
Current assignee: Tooz Technologies GmbH
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2023-09-14
Also published as: WO2023174815A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoff-Formteils bereitgestellt, bei dema) eine Kunststofffolie (5) auf einen eine erste Durchgangsöffnung (3) aufweisenden Grundrahmen (2) so gelegt wird, dass die Kunststofffolie (5) die erste Durchgangsöffnung (3) vollständig überdeckt und auf einer die erste Durchgangsöffnung (3) begrenzende Randzone (6) einer Oberseite (4) des Grundrahmens (2) aufliegt,b) die auf dem Grundrahmen (2) aufliegende Kunststofffolie erwärmt wird, undc) die auf dem Grundrahmen (2) aufliegende und im Schritt (b) erwärmte Kunststofffolie mit einem fluiden Druckmittel derart beaufschlagt wird, dass die Kunststofffolie (5) gegen ein Werkzeug (39) gedrückt und dadurch in das Kunststoff-Formteil umgeformt wird,wobeiim Schritt a) auf die auf dem Grundrahmen (2) liegende Kunststofffolie (5) ein eine zweite Durchgangsöffnung (11) aufweisender Spannrahmen (10) so positioniert wird, dass der Spannrahmen (10) die Kunststofffolie (5) im Bereich der Randzone (6) gegen die Oberseite (4) des Grundrahmens (2) drückt und dadurch fixiert und dass die zweite Durchgangsöffnung (11) des Spannrahmens (10) mindestens zum Teil der ersten Durchgangsöffnung (3) des Grundrahmens (2) gegenüberliegt,wobei der Schritt b) mit der zwischen dem Grundrahmen (2) und dem Spannrahmen (10) fixierten Kunststofffolie (5) durchgeführt wird, und wobeiim Schritt c) eine Druckkammer (30) vorliegt, in der die Umformung der Kunststofffolie (5) durchgeführt wird, wobei zur Bildung der Druckkammer (30) eine das Werkzeug (39) umgebende Wandung (41) den Grundrahmen (2) gegen die Kunststofffolie (5) und diese dadurch gegen den Spannrahmen (10) drückt, so dass sowohl der Spannrahmen (10) Teil der Druckkammer (30) als auch der Grundrahmen (2) Teil der Druckkammer (30) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kunststoff-Formteils und insbesondere eines Kunststoff-Formteils für optische Anwendungen.
Solche Kunststoff-Formteile können aus einer Kunststofffolie durch Hochdruckverformung (auch als Niebling-Prozess bekannt) hergestellt werden. Bei einem solchen Hochdruckverformen wird die Kunststofffolie erwärmt (häufig über ihren Erweichungspunkt) und dann mittels Hochdruck (bis zu 300 bar und bevorzugt isostatisch) gegen eine Form gedrückt. Auf diese Weise lassen sich reproduzierbar konturtreue Abformungen (mit Toleranzen von z.B. kleiner als +/- 0,4mm) erreichen. Weitere Details zu einer solchen Hochdruckverformung können z.B. der DE 10 2008 050 564 A1 entnommen werden.
Da die eingesetzten Kunststofffolien in der Regel über einen Flachfolienextrusionsprozess hergestellt und die finale Oberflächenstruktur (wie z.B. Glanz und Dicke) durch Walzen erzeugt werden, kann es zu anisotropen inneren Spannungen kommen. Die notwendige Erwärmung für die beschriebene Hochdruckverformung führt dann nachteilig dazu, dass aufgrund der Erwärmung diese intrinsischen anisotropen Spannungen frei werden und zu einem Verzug führen können. So können bereits geringe Wellen/Falten im Aufheizvorgang dazu führen, dass die geforderte Genauigkeit bei der Abformung der Form nicht mehr erreicht wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Kunststoff-Formteils bereitzustellen, bei dem die eingangs beschriebenen Nachteile möglichst vollständig vermieden werden können.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 9 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Durch den Spannrahmen kann die Kunststofffolie gleichmäßig im Bereich der Randzone und insbesondere entlang einer geschlossenen Linie um die erste Durchgangsöffnung herum fixiert bzw. eingeklemmt werden, wodurch ein unerwünschter Verzug beim Erwärmen effektiv verhindert werden kann. Die Randzone kann beispielsweise als der Bereich der Oberseite des Grundrahmens definiert sein, der sich vom Rand der Durchgangsöffnung bis zu einem vorbestimmten Abstandswert vom Rand der ersten Durchgangsöffnung erstreckt. Auch kann die Randzone dadurch festgelegt sein, dass es der Bereich der Oberseite des Grundrahmens ist, auf dem die Kunststofffolie aufliegt und in dem sie vom Spannrahmen gegen die Oberseite gedrückt wird, wenn die Kunststofffolie die erste Durchgangsöffnung überdeckt.
Die erste und/oder zweite Durchgangsöffnung kann insbesondere kreisförmig sein. Es ist jedoch auch eine ovale Form oder jede andere Form möglich.
Der Spannrahmen kann die Kunststofffolie entlang einer in sich geschlossenen Bahn, die die erste Durchgangsöffnung umschließt, gegen die Oberseite des Grundrahmens drücken.
Insbesondere kann der Spannrahmen eine ringförmige Nut aufweisen, die die zweite Durchgangsöffnung umschließt. In der Nut kann eine Dichtung sitzen, die auf die Kunststofffolie drückt. Insbesondere kann die ringförmige Nut in einem Bereich gegen die Kunststofffolie drücken, der über der ersten Durchgangsöffnung liegt.
Die Nut und/oder die Dichtung können kreisringförmig oder auch jede andere Ringform aufweisen, wie z. B. quadratisch, rechteckig, oval, polygonförmig oder die Form einer sonstigen in sich geschlossenen Bahnkurve.
Der Grundrahmen kann mehrere auf seiner Oberseite vorstehende Stifte aufweisen. Der Spannrahmen kann dazu entsprechende Bohrungen bzw. Justierlöcher aufweisen. Im Schritt a) kann der Spannrahmen mit seinen Justierlöchern über die Stifte geschoben und so auf der Kunststofffolie platziert werden.
Alternativ ist es möglich, dass der Spannrahmen zwischen den Stiften positioniert wird, die als Anschlag für den Spannrahmen dienen. In diesem Fall kann der Spannrahmen ohne die entsprechenden Bohrungen bzw. Justierlöchern ausgebildet sein. Die Funktion des Anschlags kann anstatt mit Stiften auch mit jeder anderen Art von mechanischem Anschlag bzw. Anschlagelement verwirklicht sein.
Ferner kann der Spannrahmen eine ebene oder nicht-ebene Unterseite aufweisen, die auf der Kunststofffolie aufliegt. Die Ausbildung der nicht-ebenen Unterseite kann so realisiert sein, dass damit eine bessere Fixierung der Kunststofffolie erreicht wird. So kann der Spannrahmen an der Unterseite im Bereich der Randzone Spitzen, Zähne und/oder eine raue Oberfläche zur Fixierung der Kunststofffolie aufweisen. Die Oberseite des Grundrahmens kann eben ausgebildet oder nicht-eben ausgebildet sein. Die nicht-ebene Oberseite kann durch Spitzen, Zähne und/oder eine raue Oberfläche realisiert sein. Dadurch kann die Fixierung der Kunststofffolie verbessert werden.
Ferner kann ein Klemmmittel vorgesehen sein, das den Spannrahmen mit einer Kraft beaufschlagt, die den Spannrahmen gegen den Grundrahmen drückt und dadurch die bereits aufgrund der Gewichtskraft des Spannrahmens auf die Kunststofffolie ausgeübte Klemmwirkung erhöht. Das Klemmmittel kann durch Klemmelemente, wie z. B. durch eine Verschraubung und/oder einem oder mehreren Klemmhebel, oder auch mittels Magnetkraft verwirklicht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt im Schritt c) eine Druckkammer vor, in der die Umformung der Kunststofffolie durchgeführt wird.
Zur Bildung der Druckkammer drückt eine das Werkzeug umgebende Wandung den Grundrahmen gegen die Kunststofffolie und diese dadurch gegen den Spannrahmen, so dass sowohl der Spannrahmen Teil der Druckkammer als auch der Grundrahmen Teil der Druckkammer ist.
Mit Ausnahme der Kunststofffolie sind die die Druckkammer bildenden Elemente bevorzugt aus Metall gebildet. Es ist bevorzugt, pro Trennebene zwischen zwei Metallflächen der Metallelemente (ohne Berücksichtigung der Kunststofffolie) nur eine (in der Regel ringförmige) Dichtung vorzusehen, um die Dichtigkeit in dieser Trennebene zu gewährleisten. Somit kann zur Gewährleistung der Dichtigkeit die Abfolge Metall-Dichtung-Metall, Metall-Dichtung-Kunststofffolie-Metall sowie Metall-Kunststofffolie-Dichtung-Metall vorliegen.
Die ringförmige Dichtung kann kreisringförmig, oval, quadratisch, rechteckig, polygonförmig oder die Form einer sonstigen in sich geschlossenen Bahnkurve aufweisen.
Alle beschriebenen Dichtungen können z.B. aus einem wärmebeständigen Elastomer (wie z.B. Fluorkautschuk) hergestellt sein.
Im Schritt c) kann das Werkzeug mit einer Kontur versehen sein, wobei zur Umformung das fluide Druckmittel die Kunststofffolie gegen die Kontur drückt.
Die Umformung im Schritt c) erfolgt bevorzugt isostatisch.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:

1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Fixiereinheit 1;
2 eine Draufsicht auf die Fixiereinheit von 1;
3 eine Ansicht der Unterseite 13 des Spannrahmens 10 von 1;
4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 zur Hochdruckverformung;
5 eine vergrößerte Schnittdarstellung der auf einem Schlitten 22 der Hochdruckverformungsvorrichtung 20 positionierten Fixiereinheit 1 ;
6 eine schematische Darstellung der Erwärmungseinrichtung 25 der Hochdruckverformungsvorrichtung 20;
7 bis 9 schematische Darstellungen der Hochdruckeinrichtung 26 der Hochdruckverformungsvorrichtung 20 zur Erläuterung der durchgeführten isostatischen Hochdruckverformung der Kunststofffolie 5;
10 eine Schnittansicht des hergestellten Kunststoff-Formteils 50;
11 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Fixiereinheit 1;
12 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Fixiereinheit 1, und
13 eine Draufsicht auf die Fixiereinheit von 12;

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Fixiereinheit 1 zur Fixierung einer Kunststofffolie 5 für eine Vorrichtung zur Hochdruckverformung einen Grundrahmen 2 mit einer ersten Durchgangsöffnung 3 und einer Oberseite 4.
Auf der Oberseite 4 des Grundrahmens 2 (nachfolgend auch Grundplatte 2 genannt) ist die Kunststofffolie 5 so platziert, dass sie die gesamte erste Durchgangsöffnung 3 überdeckt und auf einer die erste Durchgangsöffnung 3 begrenzenden Randzone 6 der Oberseite 4 aufliegt. Die erste Durchgangsöffnung 3 ist kreisförmig ausgebildet, wie z.B. der Draufsicht in 2 entnommen werden kann. Natürlich sind auch andere Begrenzungskonturen der ersten Durchgangsöffnung 3 möglich, wie z.B. quadratisch, rechteckig, oval oder polygonförmig.
Der Grundrahmen 2 weist acht in einem Rechteck (hier in einem Quadrat) in der Randzone 6 angeordnete Stifte 7 auf, die von der Oberseite 4 nach oben vorstehen, wobei natürlich andere Anordnungen und/oder eine andere Anzahl der Stifte 7 sowie andere Geometrien als Stifte auch möglich sind.
Die Kunststofffolie 5 ist in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel quadratisch so ausgebildet, dass sie genau in den von den Stiften 7 begrenzten Bereich auf die Oberseite 4 des Grundrahmens 2 gelegt werden kann. Über zusätzlichen Stifte (oder andere Geometrien und/oder Aussparung kann auch eine eindeutige Positionierung erreicht werden. Dies kann z.B. bei vorbedruckten Kunststofffolien 5 vorteilhaft sein.
Auf der Kunststofffolie 5 ist ein Spannrahmen 10 positioniert (1 und 2), der eine zweite kreisförmige Durchgangsöffnung 11 mit einem Durchmesser aufweist, der dem Durchmesser der ersten Durchgangsöffnung 3 des Grundrahmens 2 entspricht. Die beiden Durchmesser müssen nicht gleich groß sein sondern können auch unterschiedlich sein. Natürlich sind auch andere Begrenzungskonturen der zweiten Durchgangsöffnung 11 möglich, wie z.B. quadratisch, rechteckig, oval oder polygonförmig. Der Spannrahmen 10 ist ebenfalls quadratisch so ausgebildet, dass er genau in den von den Stiften 7 begrenzten Bereich auf der Kunststofffolie 5 positioniert werden kann. Der Spannrahmen 10 liegt dann mit seiner Unterseite 13 auf der Kunststofffolie 5 auf und drückt diese dadurch flächig auf die Randzone 6 der Oberseite 4 des Grundrahmens 2. Die Randzone 6 ist somit der Bereich der Oberseite 4, der sich vom Rand der ersten Durchgangsöffnung 3 bis zum von den Stiften 7 begrenzten Bereich auf die Oberseite 4 erstreckt.
Die Stifte 7 dienen somit einerseits zur Festlegung der Position der Kunststofffolie 5 auf dem Grundrahmen 2 sowie zur Festlegung der Position des Spannrahmens 10 auf der Kunststofffolie 5. Andererseits dienen die Stifte 7 als Anschlag und sorgen dafür, dass die Positionen von Kunststofffolie 5 und Spannrahmen 10 relativ zum Grundrahmen 2 und insbesondere relativ zur ersten Durchgangsöffnung 3 des Grundrahmens 2 sicher beibehalten werden, selbst wenn die Fixiereinheit 1 in der Vorrichtung zur Hochdruckverformung bewegt wird, wie nachfolgend beschrieben wird.
Die quadratische Ausbildung der Kunststofffolie 5 sowie des Spannrahmens 10 ist nur beispielhaft. Natürlich können auch anderen Umrisskonturen verwirklicht sein. Wesentlich ist der flächige und bevorzugt umlaufende Kontakt der Kunststofffolie 5 mit der Oberseite 4 des Grundrahmens 2 aufgrund des auf der Kunststofffolie 5 liegenden Spannrahmes 10.
Wie in der Schnittdarstellung von 1 ersichtlich ist, sind der Grundrahmen 2 und der Spannrahmen 10 so ausgebildet, dass bei Fixierung der Kunststofffolie 5 die beiden Durchgangsöffnungen 3, 11 koaxial zueinander ausgerichtet sind.
Wie insbesondere 3 zu entnehmen ist, weist die Unterseite 13 des Spannrahmens 10 eine ringförmige Nut 14 mit einem größerem Innendurchmesser als der Durchmesser der ersten Durchgangsöffnung 3 auf. In der Nut 14 sitzt eine ringförmige Dichtung 15, die über die Unterseite 13 vorsteht. Die Dichtung 15 kann aus einem wärmebeständigen Elastomer, wie z.B. FKM (Fluorkautschuk), hergestellt sein. Wie in 1 gezeigt ist, liegt die Dichtung 15 somit auf der Oberseite der Kunststofffolie 5 in einem Bereich außerhalb der ersten Durchgangsöffnung 3 auf.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist sowohl die Unterseite 13 als auch eine Oberseite 16 des Spannrahmens 10 plan ausgeführt. Die Fixierung der Kunststofffolie 5 erfolgt somit durch die Gewichtskraft des Spannrahmens 10, mit dem dieser die Kunststofffolie 5 gegen die Oberseite 4 des Grundrahmens 2 drückt. Der Spannrahmen 10 kann eine Plattendicke von 2 mm - 50 mm, bevorzugt von 5 mm - 10 mm aufweisen. Die Plattendicke des Spannrahmens 10 kann insbesondere so gewählt werden, dass die Gewichtskraft des Spannrahmens 10 ausreicht, um die gewünschte Fixierung der Kunststofffolie 5 zu gewährleisten.
Die Fixiereinheit 1 ist für eine Vorrichtung 20 zur Hochdruckverformung ausgebildet, wie sie schematisch in 4 dargestellt ist. Die Hochdruckverformungsvorrichtung 20 umfasst eine Fördereinrichtung 21 mit einem Schlitten 22 zur Aufnahme der Fixiereinheit 1, einem Förderband oder einer Förderkette 23 sowie einem Antrieb 24, eine Erwärmungseinrichtung 25, eine Hochdruckeinrichtung 26 und eine Steuereinheit S zur Steuerung der Hochdruckverformungsvorrichtung 20. Die Steuereinheit S kann z.B. einen Prozessor P und einen Speicher M aufweisen.
Bei der Darstellung in 4 sowie der vergrößerten Teildarstellung in 5 steht der Schlitten 22 in der Belade-/Entladestellung, wobei die komplette Fixiereinheit 1 bereits auf den Schlitten 22 bzw. in eine Vertiefung 27 des Schlittens 22 gesetzt ist. Im Bereich der Vertiefung 27 weist der Schlitten eine dritte Durchgangsöffnung 28 auf, die größer ist als die erste und zweite Durchgangsöffnung 3, 11 und die erste und zweite Durchgangsöffnung 3, 11 vollständig überdeckt, wie z.B. in der vergrößerten Darstellung in 5 gut zu erkennen ist.
Eine so auf dem Schlitten 22 befestigte Fixiereinheit 1 kann mittels der Fördereinrichtung 21 in die Erwärmungseinrichtung 25 transportiert werden, in der, wie in 4 und 6 schematisch dargestellt ist, zwei ansteuerbare flächige Wärmequellen 29₁ und 29₂ angeordnet sind. Die beiden Wärmequellen 29₁ und 29₂ sind bevorzugt so angeordnet und/oder ausgebildet, dass sie gleiche Heizleistung bereitstellen. Dies kann z.B. für den Fall, dass die flächigen Wärmequellen 29₁ und 29₂ schon die gleiche Heizleistung bereitstellen, dadurch erreicht werden, dass sie in einer Richtung von einer Wärmequelle 29₁ zur anderen Wärmequelle 29₂ den gleichen Abstand zur Kunststofffolie 5 aufweisen. Es können in der Praxis jedoch beispielsweise durch Konvektion Unterschiede entstehen, die dann durch Steuern der Leistung der beiden flächigen Wärmequellen 29₁ und 29₂ ausgeglichen werden.
Mit den Wärmequellen 29₁ und 29₂ wird die in der Fixiereinheit 1 fixierte Kunststofffolie 5 über ihren Erweichungspunkt erwärmt. Aufgrund des Spannrahmens 10 wird die Kunststofffolie 5 im Bereich der Randzone 6 nicht mit der gleichen Intensität erwärmt, wie im Bereich der Durchgangsöffnung 11, so dass die Folientemperatur in der Randzone in der Regel unterhalb des Erweichungspunktes bleibt. Dies führt zu einer umlaufend stabilisierten Kunststofffolie 5.
Die so erwärmte Kunststofffolie 5 wird dann mittels der Fördereinrichtung 21 in die Hochdruckeinrichtung 26 transportiert, in der ein isostatisches Hochdruckverformen durch Beaufschlagen mit einem fluiden Druckmittel durchgeführt wird.
Dazu umfasst die Hochdruckeinrichtung 26 eine Druckkammer 30, die, wie nachfolgend beschrieben wird, geschlossen und geöffnet werden kann. Die Druckkammer 30 weist eine erste und eine zweite Teilkammer 31 und 32 auf.
Die erste Teilkammer 31 bildet eine Druckglocke und ist typischerweise oben angeordnet, so dass die offene Kavität 33 der Druckglocke 31 nach unten zeigt. Ferner umfasst die erste Teilkammer 31 eine nach unten weisende, ringförmige Kontaktfläche 34, dessen Innenkontur hier kreisförmig ist und bevorzugt den gleichen Durchmesser wie die zweite Durchgangsöffnung 11 des Spannrahmens 10 aufweist. Es ist jedoch auch möglich, dass der Durchmesser der Innenkontur der ringförmigen Kontaktfläche 34 etwas kleiner oder etwas größer als der Durchmesser der zweiten Durchgangsöffnung 11 des Spannrahmens 10 ist. Die Innenkontur der ringförmigen Kontaktfläche kann alternativ einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als der Durchmesser der zweiten Durchgangsöffnung 11. An der Kontaktfläche 34 ist eine ringförmige Dichtung 35 (z.B. in einer nicht gezeigten Ringnut) angeordnet, die von der Kontaktfläche 34 vorsteht. Die ringförmige Dichtung 35 kann z.B. kreisringförmig, oval, polygonförmig sein oder kann die Form einer sonstigen in sich geschlossenen Bahnkurve aufweisen.
Die erste Teilkammer 31 enthält einen Kanal 36, der in die Kavität 33 mündet und über den ein fluides Druckmittel zugeführt und wieder entfernt werden kann, wie durch die Pfeile P1 und P2 angedeutet ist. Dazu ist ein schematisch dargestelltes Ventil 37 angeordnet, dass die Zuführung und Abführung des fluiden Druckmittels durchführt.
Die zweite Teilkammer 32 umfasst eine Bodenplatte 38, die das Werkzeug 39 (bzw. die Form 39) mit der gewünschten Kontur 40 für die Kunststofffolie 5 trägt. Ferner umfasst die zweite Teilkammer 32 eine auf der Bodenplatte 38 gefedert gelagerte Kammerwandung 41, die das Werkzeug 39 seitlich umschließt. Für die federnde Lagerung sind die schematisch dargestellten Federn 42 vorgesehen.
Die Kammerwandung 41 weist ein nach oben weisendes Ende 43 mit einer Kontaktfläche 45 auf. An der Kontaktfläche 45 ist eine ringförmige Dichtung 18 (z.B. in einer nicht gezeigten Ringnut) angeordnet, die von der Kontaktfläche 45 vorsteht. Die ringförmige Dichtung 18 kann z.B. kreisringförmig, oval, polygonförmig sein oder kann die Form einer sonstigen in sich geschlossenen Bahnkurve aufweisen.
In der gezeigten Darstellung von 7 ist die Druckkammer 30 in ihrer geöffneten Stellung gezeigt, in der der Schlitten 22 mit der Fixiereinheit 1 zwischen den beiden Teilkammern 31 und 32 positioniert werden kann. Sobald der Schlitten 22 entsprechend positioniert ist, kann über eine Hebeeinrichtung 47 die zweite Teilkammer 32 in Richtung zur ersten Teilkammer 31 nach oben bewegt werden, wodurch die zweite Teilkammer 32 mittels der Kontaktfläche 45 gegen die Unterseite 17 des Grundrahmens 2 drückt und somit den Grundrahmen 2 mit der Kunststofffolie 5 und dem Spannrahmen 10 vom Schlitten 22 anhebt und gegen die Kontaktfläche 34 der ersten Teilkammer 31 drückt. Dadurch liegt die gewünschte Abdichtung der geschlossenen Druckkammer 30 vor, wie durch die Pfeile D1 und D2 angedeutet ist. Gleichzeitig wird das Werkzeug 39 relativ zur Kammerwandung 41 mittels der Hebeeinrichtung 47 dadurch nach oben bewegt, dass die Bodenplatte 38 gegen die Kraft der Federn 42 in Kontakt mit einer Unterseite der Wandung 41 gebracht wurde. Im Ergebnis steht das Werkzeug 39 mit seiner Kontur 40 schon in Kontakt mit der Kunststofffolie 5 (wie in 8 gezeigt ist) oder weist einen geringen Abstand zur Kunststofffolie 5 auf.
In dieser in 8 gezeigten geschlossenen Stellung der Druckkammer 30 wird über den Kanal 36 das fluide Druckmittel in die Kavität 33 geführt, so dass ein Überdruck entsteht, der zu einer isostatischen Verformung der Kunststofffolie 5 führt, die dadurch gegen die Kontur 40 des Werkzeugs 39 gedrückt wird.
Danach wird das fluide Druckmittel aus der Kavität 33 abgeführt und, soweit notwendig, solange bei geschlossener Druckkammer 30 gewartet, bis die verformte Kunststofffolie 5 ausreichend abgekühlt ist.
Nach dieser durchgeführten Verformung der Kunststofffolie 5 liegt das gewünschte Kunststoff-Formteil 50 vor und wird die Druckkammer 30 wieder in ihre geöffnete Stellung gebracht ( 9). Die Fixiereinheit 1 wird dabei wieder auf dem Schlitten 22 abgelegt und wird zusammen mit der verformten Kunststofffolie 5 zurück zur Belade-/Entladestellung transportiert. Somit wurde aus der Kunststofffolie 5 in der beschriebenen Art und Weise ein Kunststoff-Formteil 50 ( 10) hergestellt.
Bei sämtlichen Bewegungen des Schlittens 22 dienen die Stifte 7 dazu sicherzustellen, dass die Kunststofffolie 5 und der Spannrahmen 10 ihre Position beibehalten.
Da die Kunststofffolie 5 sowohl beim Erwärmen als auch beim Verformen in der Fixiereinheit 1 positioniert ist, ist die Kunststofffolie 5 stets in der Randzone 6 um die gesamte erste Durchgangsöffnung 3 fixiert bzw. eingespannt, so dass ein Verzug der Form der Kunststofffolie 5 beim Erwärmen über den Erweichungspunkt und beim Verformen möglichst gut verhindert werden kann. Wenn die Kunststofffolie 5, wie in 8 gezeigt ist, auf dem Grundrahmen 2 liegend angehoben ist, wird die gewünschte Fixierung durch die Kontaktfläche 45 realisiert, die die Kunststofffolie 5 mittels der Grundplatte 2 gegen die Unterseite 13 des Spannrahmens 10 drückt. Ein solcher Verzug würde insbesondere deshalb auftreten, da die eingesetzten Kunststofffolien 5 in der Regel über einen Extrusionsprozess (z.B. Flachfolienextrusionsprozess) hergestellt und über Walzen weiterbearbeitet wurden, um Filmdicke und Oberflächenqualität einzustellen. Dies führt zu intrinsischen anisotropen Spannungen im Material, die beim Erwärmen frei werden und dann zu dem unerwünschten Verzug bei einer bisher bekannten Variante, bei der die Kunststofffolie 5 lediglich auf den Grundrahmen 2 gelegt ist und kein Spannrahmen 10 vorgesehen ist, führen würde.
Bei dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Fixierung der Kunststofffolie 5 hauptsächlich mittels der Gewichtskraft des aufliegenden Spannrahmens 10. Es ist jedoch zusätzlich oder alternativ möglich, durch Spitzen, Zähne und/oder eine raue Oberfläche die gewünschte Fixierung zu erreichen, wobei die Spitzen, Zähne und/oder die raue Oberfläche auf der Oberseite 4 des Grundrahmens 2 und/oder auf der Unterseite 13 des Spannrahmens 10 ausgebildet sein können. Ferner kann zusätzlich oder alternativ eine mechanische Verschraubung oder Klemmung (mittels z.B. eines Spannhebels, Federn, etc.) verwirklicht werden. Auch ist zusätzlich oder alternativ eine Fixierung durch magnetische Kräfte möglich.
Bei der Kunststofffolie kann es sich z.B. um eine PC-Folie (Polycarbonatfolie) handeln. Beispielsweise kann die PC-Folie Makrofol DE 1-1 der Covestro Deutschland AG aus Deutschland sein. Die Schichtdicke der Kunststofffolie 5 (bzw. des Folienstücks 5) kann beispielsweise im Bereich von 10 µm bis 3000 µm, von 12 µm bis 2000 µm, von 100 µm bis 2000 µm, von 150 µm bis 1000 µm, von 125 µm bis 1000 µm (oder 175 µm bis 1000 µm), von 125 µm bis 750 µm, von 125 µm bis 600 µm, von 150 µm bis 650 µm und von 250 µm bis 600 µm oder von 200 µm bis 500 µm liegen. Insbesondere kann die Schichtdicke der Kunststofffolie 5 im Bereich von 350 µm bis 650 µm oder von 375 µm bis 500 µm liegen.
Bei der Verformung in der Hochdruckeinrichtung 26 kann das fluide Druckmittel mit 2 bis 300 bar und bevorzugt mit 10 bis 100 bar zugeführt werden.
Weitere Details zur Hochdruckverformung können z.B. der DE 10 2008 050 564 A1 entnommen werden, deren Inhalt hiermit hier aufgenommen wird.
Die Erweichungstemperatur der verwendeten PC-Kunststofffolie 5 kann im Bereich von 144 bis 146°C liegen. Bei der Erwärmung über die Erweichungstemperatur wird daher eine Temperatur von größer als 146°C und bevorzugt kleiner als 190°C in der Erwärmungseinrichtung 25 erzeugt.
Als Material für die Kunststofffolie können insbesondere thermoplastische Polymere eingesetzt werden, wie beispielsweise Polycarbonat, PMMA (Polymethylmethacrylat), PA (Polyamid), PS (Polystyrol), PET (Polyethylenterephthalat), PEN (Polyethylennaphthalat), TAC (Celluloseacetat), COP/COC (Cycloolefin-Polymer bzw. -Copolymer). Ferner können auch reaktive Polymer-Vorstufen eingesetzt werden, die während des Verformungsprozesses oder in einem nachgelagerten Prozessschritt thermisch oder durch Strahlungshärtung teilweise oder vollständig ausgehärtet werden. Beispiele sind hierfür u.a. im Bereich der Polyurethan-Chemie zu finden. Ferner können beschichtete und/oder vorbehandelte Folien, Coextrusionsfolien, Hybrid- und/oder Verbundfolien verwendet werden.
Nach dem beschriebenen Verformungsschritt können noch weitere Schritte durchgeführt werden, um aus dem Kunststoff-Formteil 50 ein gewünschtes Endprodukt zu erhalten. Insbesondere kann z.B. ein Ausstanzschritt, ein Beschichtungsschritt, etc. durchgeführt werden. Natürlich ist es auch möglich, dass das Kunststoff-Formteil 50 selbst das gewünschte Endprodukt ist.
Da die Fixiereinheit 1 als separate Einheit vorgesehen ist, die in der Belade-/Entladestellung auf dem Schlitten 22 zu platzieren ist, kann die Fixiereinheit 1 extern bestückt werden und dann als Einheit in die Hochdruckverformungsvorrichtung 20 eingelegt und nach dem Verformen wieder entnommen werden. Wenn der Spannrahmen 10 als reiner Auflegerahmen (z.B. mit Dichtring 15) ausgebildet ist, kann der Einbau in die Fixiereinheit 1 sowie der Ausbau aus der Fixiereinheit 1 schnell und unkompliziert ohne wesentliche Beeinflussung des bisherigen Prozesses erfolgen. Die Handhabungsschritte bezüglich der Kunststofffolie 5 werden minimiert, was auch zu geringeren Kontaminationen führt.
Es ist jedoch auch möglich, den Grundrahmen 2 bereits im Schlitten 22 in der Belade-/Entladestation anzuordnen und nur die Kunststofffolie 5 und den Spannrahmen 10 in der beschriebenen Art und Weise aufzulegen. Nach erfolgter Umformung kann der Spannrahmen 10 abgehoben, das gebildete Kunststoff-Formteil 50 entnommen werden. Danach kann eine neue Kunststofffolie 5 und darauf der Spannrahmen 10 wieder aufgelegt werden, so dass ein weiterer Umformprozess durchgeführt werden kann.
Ferner ist es möglich, eine Automatisierung beispielsweise in der Art und Weise durchzuführen, dass das Auflegen der Kunststofffolie 5 sowie des Spannrahmens 10 auf den Grundrahmen und das nach der Umformung erfolgte Entnehmen des umgeformten Kunststoff-Formteils 50 nach Abheben des Spannrahmens 10 automatisiert durchgeführt wird.
In 11 ist eine Abwandlung der Fixiereinheit 1 gezeigt. Bei dieser Abwandlung wird die Kunststofffolie 5 sowie der Spannrahmen 10 auf die Stifte 7 aufgesetzt. Dazu weist die Kunststofffolie 5 Durchgangsöffnungen und der Spannrahmen 10 entsprechende Sacklöcher oder Durchgangsbohrungen auf.
In 12 und 13 ist in gleicher Weise wie in 1 und 2 eine Abwandlung der Fixiereinheit 1 dargestellt. Bei dieser Abwandlung weist der Grundrahmen 2 zwei Durchgangsöffnungen 3₁ und 3₂ auf. In gleicher Weise weist der Spannrahmen 10 zwei Durchgangsöffnungen 11₁ und 11₂ sowie zwei Dichtungen 15₁ und 15₂ auf. Mit einer solchen Fixiereinheit 1 kann der Durchsatz bei der Umformung verdoppelt werden, da stets zwei Kunststoff-Formteile 50 erzeugt werden können. Dazu ist die Vorrichtung 20 zur Hochdruckverformung natürlich entsprechend angepasst. So kann in der Erwärmungseinrichtung 25 die Kunststofffolie 5 so erwärmt werden, dass die Bereiche in beiden Durchgangsöffnungen 11₁ und 11₂ der Kunststofffolie in der beschriebenen Art und Weise erwärmt werden. In der Hochdruckeinrichtung 26 sind dann zwei Druckkammern 30 (jeweils eine für jedes Paar von Durchgangsöffnungen 3₁, 11₁ sowie 3₂ und 11₂) vorgesehen.
Natürlich ist es auch möglich, nur eine Druckkammer 30 für beide Paare von Durchgangsöffnungen 3₁, 11₁ sowie 3₂, 11₂ vorzusehen. Ferner können gleiche oder unterschiedliche Werkzeuge 39 mit gleichen oder unterschiedlichen Konturen 40 vorgesehen sein. Natürlich können auch mehr als zwei Paare von Durchgangsöffnungen vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008050564 A1 [0002, 0053]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Kunststoff-Formteils, bei dem a) eine Kunststofffolie (5) auf einen eine erste Durchgangsöffnung (3) aufweisenden Grundrahmen (2) so gelegt wird, dass die Kunststofffolie (5) die erste Durchgangsöffnung (3) vollständig überdeckt und auf einer die erste Durchgangsöffnung (3) begrenzende Randzone (6) einer Oberseite (4) des Grundrahmens (2) liegt, b) die auf dem Grundrahmen (2) liegende Kunststofffolie (5) erwärmt wird, und c) die auf dem Grundrahmen (2) liegende und im Schritt (b) erwärmte Kunststofffolie (5) mit einem fluiden Druckmittel derart beaufschlagt wird, dass die Kunststofffolie (5) gegen ein Werkzeug (39) gedrückt und dadurch in das Kunststoff-Formteil (50) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) auf die auf dem Grundrahmen (2) liegende Kunststofffolie (5) ein eine zweite Durchgangsöffnung (11) aufweisender Spannrahmen (10) so positioniert wird, dass der Spannrahmen (10) die Kunststofffolie (5) im Bereich der Randzone (6) gegen die Oberseite (4) des Grundrahmens (2) drückt und dadurch fixiert und dass die zweite Durchgangsöffnung (11) des Spannrahmens (10) mindestens zum Teil der ersten Durchgangsöffnung (3) des Grundrahmens (2) gegenüberliegt, wobei der Schritt b) mit der zwischen dem Grundrahmen (2) und dem Spannrahmen (10) fixierten Kunststofffolie (5) durchgeführt wird, und wobei im Schritt c) eine Druckkammer (30) vorliegt, in der die Umformung der Kunststofffolie (5) durchgeführt wird, wobei zur Bildung der Druckkammer (30) eine das Werkzeug (39) umgebende Wandung (41) den Grundrahmen (2) gegen die Kunststofffolie (5) und diese dadurch gegen den Spannrahmen (10) drückt, so dass sowohl der Spannrahmen (10) Teil der Druckkammer (30) als auch der Grundrahmen (2) Teil der Druckkammer (30) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt c) die Umformung isostatisch durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in den Schritten a) und b) der Spannrahmen (10) die Kunststofffolie (5) entlang einer in sich geschlossenen Bahn, die die erste Durchgangsöffnung (3) umschließt, gegen die Oberseite (4) des Grundrahmens (2) drückt.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Spannrahmen (10) eine ringförmige Nut (14), die die zweite Durchgangsöffnung (11) umschließt, aufweist, in der eine Dichtung (15) sitzt, die in den Schritten a) und b) gegen die Kunststofffolie (5) drückt.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Grundrahmen (2) mehrere von seiner Oberseite (4) vorstehende Anschlagelemente (7) aufweist und im Schritt a) sowohl die Kunststofffolie (5) als auch der Spannrahmen (10) zwischen den vorstehenden Anschlagelementen (7) positioniert wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Spannrahmen (10) eine ebene Unterseite (13) aufweist, die nach Durchführung des Schrittes a) auf der Kunststofffolie (5) aufliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Spannrahmen (10) und/ oder der Grundrahmen (2) im Bereich der Randzone (6) Spitzen, Zähne und/oder eine raue Oberfläche zur Fixierung der Kunststofffolie (5) aufweist.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem ein Klemmmittel vorgesehen ist, das den Spannrahmen (10) mit einer Kraft beaufschlagt, die den Spannrahmen (10) gegen den Grundrahmen (2) drückt und dadurch die bereits aufgrund der Gewichtskraft des Spannrahmens (10) auf die Kunststofffolie (5) ausgeübte Klemmwirkung erhöht.
Hochdruckverformungsvorrichtung (20) mit einer Fördereinrichtung (21), einer Erwärmungseinrichtung (25) sowie einer Hochdruckeinrichtung (26), wobei die Fördereinrichtung (21) eine Fixiereinheit (1) in die Erwärmungseinrichtung (25) und die Hochdruckeinrichtung (26) transportieren kann, wobei die Fixiereinheit (1) einen Grundrahmen (2), der eine erste Durchgangsöffnung (3) und eine Oberseite (4) aufweist, sowie einen eine zweite Durchgangsöffnung (11) aufweisenden Spannrahmen (10) umfasst, wobei eine Kunststofffolie (5) so auf den Grundrahmen (2) gelegt ist, dass sie die erste Durchgangsöffnung (3) vollständig überdeckt und auf einer die erste Durchgangsöffnung (3) begrenzenden Randzone (6) der Oberseite des Grundrahmens (2) liegt, und der Spannrahmen so auf der Kunststofffolie (5) liegt, dass diese im Bereich der Randzone (6) gegen die Oberseite (4) des Grundrahmens (2) gedrückt und dadurch fixiert ist und dass die zweite Durchgangsöffnung (11) des Spannrahmens (10) mindestens zum Teil der ersten Durchgangsöffnung (3) des Grundrahmens (2) gegenüberliegt, und wobei die Hochdruckeinrichtung (26) dazu ausgebildet ist, die mittels der Erwärmungseinrichtung (25) erwärmte Kunststofffolie (5) in einer Druckkammer (30) mit einem fluiden Druckmittel derart zu beaufschlagen, dass die Kunststofffolie (5) gegen ein Werkzeug (39) gedrückt und dadurch in ein Kunststoff-Formteil (50) umgeformt wird, wobei zur Bildung der Druckkammer (30) eine das Werkzeug (39) umgebende Wandung (41) den Grundrahmen (2) gegen die Kunststofffolie (5) und diese dadurch gegen den Spannrahmen (10) drückt, so dass sowohl der Spannrahmen (10) Teil der Druckkammer (30) als auch der Grundrahmen (2) Teil der Druckkammer (30) ist.