DE10349156A1 - Verfahren und Vorrichtung zum pneumatischen Thermoformen von Kunststoffprodukten - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum pneumatischen Thermoformen von Kunststoffprodukten sieht eine zusätzliche Beaufschlagung des Rohlings (3) in selektiven Teilbereichen (T) mit einer temperaturerhöhenden Strahlung (15) vor und/oder während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens des Rohlings (3) während des Umformens vor.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum pneumatischen Thermoformen von Kunststoffprodukten mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 7 angegebenen Merkmalen.
- Unter Thermoformen versteht man das Umformen von thermoplastischen Halbzeugen, wie beispielsweise Plattenmaterial, Folien oder dergleichen, bei erhöhten Temperaturen zu dreidimensionalen Formteilen. Dabei wird der Rohling auf seine Umformtemperatur im thermo-elastischen Bereich erwärmt und anschließend mit Hilfe eines Thermowerkzeuges geformt. Wird das so erzeugte Werkstück unter Formzwang auf eine Temperatur abgekühlt, bei der es formstabil ist, kann es entformt werden.
- Gängige 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 erfolgt.
- Beim pneumatischen Thermoformen ergeben sich prinzipielle Probleme bei der Umformung, die auf der großflächigen Erwärmung planarer Kunststoffmaterialien und dem nachfolgenden Formen durch „Einsaugen" (beim Vakuumumformen) bzw. „Einblasen" (beim Druckluftformen) des Kunststoffmaterials in eine entsprechend geformte Werkzeugschale basiert. Besonders bei der Ausformung von scharfen Ecken und Kanten kommt es hier oft zu einer unerwünscht starken Ausdünnung des Kunststoffmaterials, was im Extremfall zu einem Materialversagen in Form beispielsweise eines Loches im Werkstück führen kann.
- Zur Lösung dieser Problematik sieht die Erfindung laut Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 in verfahrenstechnischer Hinsicht bzw. gemäß Anspruch 7 in vorrichtungstechnischer Hinsicht vor, dass der Rohling vor und/oder während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens in selektiven Teilbereichen mit einer temperaturerhöhenden Strahlung zusätzlich beaufschlagt wird. Damit kann die „Ausdünnung" des Materials unter Ausnutzung des direkten Zusammenhangs zwischen der Verformbarkeit und der Temperatur des Kunststoffmaterials gezielt beeinflusst werden. So können flächige Bereiche, bei denen keine scharfen Kanten oder Ecken vorhanden sind, in ihrer Temperatur erhöht werden, sodass sie dort leichter fließen und zu einer unkritischen Verdünnung der Materialstärke des Produkts führen. Die demgegenüber kälteren Teilbereiche des Rohlings, die beispielsweise bei den erwähnten Ecken oder Kanten liegen, bleiben dann in ihrer Materialstärke dicker und sind somit weniger anfällig gegen ein Einfallen eines Loches.
- In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der entsprechenden Vorrichtung ist für die temperaturerhöhende Strahlung ein Laser und insbesondere ein CO2-Laser zu verwenden, da die langwellige CO2-Laserstrahlung in den meisten thermoplastischen Kunststoffen vergleichsweise gut absorbiert wird. So kann auch in den Bereichen, in denen das Kunststoffmaterial bereits eine geringe Dicke aufweist, eine effiziente Einkopplung der Laserstrahlung gewährleistet werden.
- Besonders flexibel sind das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung in werkzeugtechnischer Hinsicht, wenn der Laserstrahl mittels einer schnellen optischen Strahlablenkungseinheit quasisimultan auf die zusätzlich zu erwärmenden Teilbereiche des Rohlings gerichtet wird. Derartige Strahlablenkungseinheiten sind auf dem Gebiet der Laser-Bearbeitungsmaschinen beispielsweise für das quasisimultane Schweißen üblich. Bei entsprechender Spezifikation können derartige Laseranlagen beim Erfindungsgegenstand nicht nur für die zusätzliche Erwärmung von Teilbereichen, sondern für die Erwärmung des gesamten Rohlings auf seine Umformtemperatur selbst sorgen. Damit entfällt eine eigene Heizeinrichtung für den Rohling.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die selektiv temperaturerhöhende Strahlung auch zur Messung von Werkstückeigenschaften in diesen selektiven Teilbereichen des Rohlings, wie etwa der Temperatur oder Materialdicke verwendet werden. Dazu sind bekannte optophysikalische Laser-Messverfahren, wie beispielsweise Reflektions- oder Streumessungen einsetzbar. Auch kann eine von der temperaturerhöhenden Strahlung unabhängig arbeitende Messsensorik eingesetzt werden.
- Schließlich kann die Zusatzstrahlung insbesondere bei Verwendung eines CO2-Lasers zu deren Erzeugung zur Randbesäumung des durch Umformen des Rohlings entstandenen Werkstückes verwendet werden. Insoweit kann ein Werkstück also in einem Arbeitsgang ohne Nachbearbeitung in dem Formwerkzeug unter großer Zuverlässigkeit und mit weniger kritischen Prozessfenstern hergestellt werden.
- Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese
-
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Vakuum-Thermoformen von Kunststoffprodukten. - In der Zeichnung ist ein als Ganzes mit
1 bezeichnetes Formwerkzeug erkennbar, das eine Form2 hier zur Erzeugung eines Kunststoffbechers mit trapezförmiger Schnittgestalt aufweist. Am oberen Rand der Form2 wird ein als dünne Platte oder dickere Folie ausgestalteter Rohling3 mit Hilfe eines Niederhalters4 eingespannt. Die Form2 steht über einen Dichtring7 auf einer Grundplatte8 , an der ein Saugstutzen9 angeschlossen ist. Dieser führt zu einer Vakuumpumpe10 , mit deren Hilfe der unter dem Boden5 mit Hilfe des Dichtrings7 gebildete Anschlussraum11 unter Vakuum gesetzt werden kann. Der Anschlussraum11 ist über Durchgangskanäle12 in Boden5 mit dem Formraum6 verbunden. - Die Form
2 ist ferner mit einer Heizeinrichtung13 zu ihrer Erwärmung und damit des Rohlings3 auf seine Umformtemperatur versehen. Typische Umformtemperaturen liegen für amorphe Kunststoffe oberhalb deren Glasübergangstemperaturen Tg, 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 muss. Für Polyethylen beispielsweise liegt der Kristallitschmelzbereich bei ca. 125°C + 15°C, die entsprechenden Temperaturen liegen für Polypropylen bei ca. 160°C + 10°C. - Schließlich ist die gezeigte Vakuum-Thermoformanlage mit einer zusätzlichen Bestrahlungseinrichtung
14 versehen, mit deren Hilfe der Rohling3 in selektiven Teilbereichen mit einer temperaturerhöhenden Laserstrahlung15 vor und während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steue rung des Formfließverhaltens beaufschlagt werden kann. Die Bestrahlungseinrichtung14 weist dazu eine CO2-Laserstrahlquelle16 auf, wobei der Laserstrahl über eine Strahlführungseinheit17 und eine Strahlformungseinheit18 auf eine schnelle Strahlablenkungseinheit19 gerichtet wird. Mit deren Hilfe kann der Laserstrahl15 gezielt und quasisimultan beispielsweise in den ringförmigen Teilbereich T des Rohlings3 eingestrahlt werden, der nach der Umformung den umlaufenden Wandbereich W des herzustellenden Kunststoffbechers (strichliniert dargestellt in1 ) bildet. Durch die gezielte Temperaturerhöhung in diesem Teilbereich T findet dort eine stärkere Ausdünnung der Wandstärke statt, sodass für die kritischen Bereiche an der Oberkante20 und in der unteren Ecke21 der Form2 mehr Material für die Becherwandung übrig bleibt. - In
1 sind ferner Messsensoren22 angedeutet, die unter Verwendung der Laserstrahlung15 oder auch unabhängig davon arbeitend beispielsweise eine Dicken- und/oder Temperaturmessung des Rohlings3 während des Umformens ermöglichen. Diese Messsensoren22 sind wie die übrigen Komponenten der Anlage mit einer nicht näher dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit verbunden und können auch in den Strahlengang zwischen Laserstrahlquelle16 und Strahlenablenkungseinheit19 integriert werden. Durch letztere Positionierung kann jeder interessierende Bereich des Werkstückes abgetastet werden, da damit eine ortsaufgelöste Messung über den gesamten Scanbereich der Strahlablenkungseinheit19 möglich wird. - Für die Messung der Temperatur kommt der Einsatz von Halbleitersensoren bzw. von Fotomultipliern mit Bandpassfiltern angepasst an die jeweilige Temperatur gemäß der Planckschen Strahlungsverteilung und eine Optik zur Fokussierung auf die interessierenden Bereich in Frage. Eine derar tige Sensorik ist mit einem üblichen Bandstrahlungspyrometer vergleichbar.
- Für die Dickenmessung kann ein Scansystem verwendet werden, das den Abstand zur Kunststoffoberfläche misst und auf der Basis der Kenntnis der Nulllage des Werkzeuges dann eine Dickenbestimmung durchführen kann. Als Alternativen können hierbei einerseits der Bearbeitungsstrahl für eine Laufzeitmessung geeignet moduliert werden oder andererseits ein Messstrahl ins Scansystem eingeblendet und dessen Reflexion/Streuung wellenlängensensitiv wieder ausgeblendet werden.
- Beide Methoden erlauben eine online-Entfernungskartografierung der Kunststoffoberfläche, woraus softwareseitig durch Einbeziehung der Werkzeugkoordinaten die Materialdicke berechnet werden kann. Optimaler Weise sollte das Werkstück dabei mit einem Nullspalt am Werkzeug anliegen.
- Der Formvorgang eines Kunststoffbechers erfolgt ausgehend von der in
1 dargestellten Ausgangsposition durch eine Erwärmung des Rohlings3 auf seine Umformtemperatur mit Hilfe der Heizung13 und anschließendes Beaufschlagen der Form2 mit Vakuum durch Betätigung der Vakuumpumpe10 . Dabei wird der Rohling3 in den Formraum6 eingezogen, wobei gleichzeitig eine selektive Erwärmung der erwärmten Teilbereiche T durch die Laserstrahlung15 stattfindet. Sobald der Rohling3 in die Endform des Kunststoffbechers (strichliniert dargestellt in1 ) umgeformt worden ist, kann unter Beibehaltung des Formzwanges mit Hilfe der Vakuumpumpe10 ein Abkühlen des Bechers stattfinden. Hat dieser eine Temperatur erreicht, in der er formstabil ist, kann mit Hilfe der Bestrahlungseinrichtung14 durch entsprechende Ansteuerung der Strahlablenkungseinheit19 im Bereich der oberen Randkante des hergestellten Bechers ein umlaufender Besäumungsschnitt B vorgenommen werden, wodurch der Spannflansch23 des Rohlings3 vom Endprodukt sauber abgetrennt wird.
Claims (12)
- Verfahren zum pneumatischen Thermoformen von Kunststoffprodukten mit folgenden Verfahrensschritten: – Einspannen eines aus thermoplastischem Material bestehenden, insbesondere platten- oder folienförmigen Rohlings (
3 ) in ein Formwerkzeug (1 ), – Erwärmen des gesamten Rohlings (3 ) auf seine Umformtemperatur, und – Umformen des Rohlings (3 ) in das Formwerkzeug (1 ) mittels Unter- oder Überdruck-Beaufschlagung, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt: – zusätzliche Beaufschlagung des Rohlings (3 ) in selektiven Teilbereichen (T) mit einer temperaturerhöhenden Strahlung (15 ) vor und/oder während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens des Rohlings (3 ) während des Umformens. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturerhöhende Strahlung eine Laserstrahlung (
15 ) verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gepulste Infrarot-Laserstrahlung, insbesondere eines CO2-Lasers (
16 ) verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (
15 ) mittels einer schnellen optischen Strahlablenkungseinheit (19 ) quasisimultan auf die zusätzlich zu erwärmenden Teilbereiche (T) des Rohlings (3 ) gerichtet wird. - Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (
15 ) zur Messung von Werkstückeigenschaften in selektiven Teilbereichen (T) des Rohlings (3 ) verwendet wird. - Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (
15 ) zur Randbesäumung (B) des durch Umformen des Rohlings (3 ) entstandenen Werkstückes im Formwerkzeug (1 ) verwendet wird. - Vorrichtung zum pneumatischen Thermoformen von Kunststoffprodukten umfassend – ein Formwerkzeug (
1 ) für einen Rohling (3 ) aus einem thermoplastischen Material, – eine Heizeinrichtung (13 ) zur Erwärmung des Rohlings (3 ) auf seine Umformtemperatur, und – eine Druckeinrichtung (10 ) zur Beaufschlagung des Rohlings (3 ) mit Unter- oder Überdruck zum Umformen in das Formwerkzeug (1 ), gekennzeichnet durch – eine Bestrahlungseinrichtung (14 ) zur zusätzlichen Beaufschlagung des Rohlings (3 ) in selektiven Teilbereichen (T) mit einer temperaturerhöhenden Strahlung (15 ) vor und/oder während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens des Rohlings (3 ) während des Umformens. - Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Strahlungsquelle ein Laser (
16 ) fungiert. - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Infrarot-Laser, insbesondere ein CO2-Laser (
16 ) ist. - Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine schnelle optische Strahlablenkungseinheit (
19 ), mittels der der Laserstrahl (15 ) quasisimultan auf die zusätzlich zu erwärmenden Teilbereiche (T) des Rohlings (3 ) richtbar ist. - Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch Messsensoren (
22 ) zur Messung von Werkstückeigenschaften insbesondere von Temperatur und Materialdicke zumindest in selektiven Teilbereichen (T) des Rohlings (3 ). - Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (
15 ) zur Randbesäumung (B) des durch Umformen des Rohlings (3 ) entstandenen Werkstückes im Formwerkzeug (1 ) verwendet wird.
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