DE10349156B4

DE10349156B4 - Verfahren und Vorrichtung zum pneumatischen Thermoformen von Kunststoffprodukten

Info

Publication number: DE10349156B4
Application number: DE2003149156
Authority: DE
Inventors: Thomas Frick; Marcellus Schöllhorn; Erich Huber; Michael Dr. Schmidt; Gerd Dr. Esser
Original assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH; HITHERMA AG
Current assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH; HITHERMA AG
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: DE10349156A1

Abstract

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 mittels einer Heizeinrichtung, und
– Umformen des Rohlings (3) in den Formraum (6) des Formwerkzeugs (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 durch das Formwerkzeug bestimmten Umformens in den Formraum.

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.
Die WO 00/64608 A1 offenbart ein automatisiertes Verfahren und eine Vorrichtung zum spanlosen Umformen eines Behälters, bei dem ein lokaler Umformungsbereich bestimmt und durch definierte Energiezufuhr dessen Umformbarkeit hergestellt wird. Die anschließende Umformung erfolgt durch einseitige Druckbeaufschlagung und ist nicht durch das eigentliche Formwerkzeug bestimmt.
Es fehlt dem Verfahren gemäß dieser Druckschrift also die Erwärmung des gesamten Rohlings auf seine Umformtemperatur mittels einer Heizeinrichtung und eine zusätzliche Beaufschlagung des Rohlings in selektiven Teilbereichen zur gezielten ortsabhängigen Steuerung des Formfließverhaltens innerhalb des durch das Formwerkzeug bestimmten Umformprozesses.
Die vorstehenden Unterschiede treffen auch auf die beiden japanischen Abstracts JP 10-095044 A und JP 2002-154161 A zu. In der erstgenannten Druckschrift ist die im Wesentlichen punktförmige Erwärmung einer Polystyrolfolie in einem vorbestimmten Bereich durch einen Laserstrahl offenbart, wonach durch eine Unterdruck-Saugglocke mit Hilfe einer Vakuumpumpe eine Noppe erzeugt wird. Mit dem Umformen eines sich auf Umformtemperatur befindlichen Rohlings in den Formraum eines Formwerkzeugs hat dies nichts zu tun.
Auch in der JP 2002-154161 A ist lediglich die Erwärmung eines umzuformenden Bereiches auf Umformtemperatur mittels eines Laserstrahles gezeigt, wobei der durch Erhitzen erweichte Bereich mit Hilfe einer Druckflüssigkeit umgeformt wird.
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 Form 2 hier zur Erzeugung eines Kunststoffbechers mit trapezförmiger Schnittgestalt aufweist. Am oberen Rand der Form 2 wird ein als dünne Platte oder dickere Folie ausgestalteter Rohling 3 mit Hilfe eines Niederhalters 4 eingespannt. Die Form 2 steht über einem Dichtring 7 auf einer Grundplatte 8, an der ein Saugstutzen 9 angeschlossen ist. Dieser führt zu einer Vakuumpumpe 10, mit deren Hilfe der unter dem Boden 5 mit Hilfe des Dichtrings 7 gebildete Anschlussraum 11 unter Vakuum gesetzt werden kann. Der Anschlussraum 11 ist über Durchgangskanäle 12 im Boden 5 mit dem Formraum 6 verbunden.
Die Form 2 ist ferner mit einer Heizeinrichtung 13 zu ihrer Erwärmung und damit des Rohlings 3 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 Rohling 3 in selektiven Teilbereichen mit einer temperaturerhöhenden Laserstrahlung 15 vor und während des Umformens zur gezielten ortsabhängigen Steue rung des Formfließverhaltens beaufschlagt werden kann. Die Bestrahlungseinrichtung 14 weist dazu eine CO₂-Laserstrahlquelle 16 auf, wobei der Laserstrahl über eine Strahlführungseinheit 17 und eine Strahlformungseinheit 18 auf eine schnelle Strahlablenkungseinheit 19 gerichtet wird. Mit deren Hilfe kann der Laserstrahl 15 gezielt und quasisimultan beispielsweise in den ringförmigen Teilbereich T des Rohlings 3 eingestrahlt werden, der nach der Umformung den umlaufenden Wandbereich W des herzustellenden Kunststoffbechers (strichliert dargestellt in 1) bildet. Durch die gezielte Temperaturerhöhung in diesem Teilbereich T findet dort eine stärkere Ausdünnung der Wandstärke statt, sodass für die kritischen Bereiche an der Oberkante 20 und in der unteren Ecke 21 der Form 2 mehr Material für die Becherwandung übrig bleibt.
In 1 sind ferner Messsensoren 22 angedeutet, die unter Verwendung der Laserstrahlung 15 oder auch unabhängig davon. arbeitend beispielsweise eine Dicken- und/oder Temperaturmessung des Rohlings 3 während des Umformens ermöglichen. Diese Messsensoren 22 sind wie die übrigen Komponenten der Anlage mit einer nicht näher dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit verbunden und können auch in den Strahlengang zwischen Laserstrahlquelle 16 und Strahlenablenkungseinheit 19 integriert werden. Durch letztere Positionierung kann jeder interessierende Bereich des Werkstückes abgetastet werden, da damit eine ortsaufgelöste Messung über den gesamten Scanbereich der Strahlablenkungseinheit 19 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 Bereiche 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 Rohlings 3 auf seine Umformtemperatur mit Hilfe der Heizung 13 und anschließendes Beaufschlagen der Form 2 mit Vakuum durch Betätigung der Vakuumpumpe 10. Dabei wird der Rohling 3 in den Formraum 6 eingezogen, wobei gleichzeitig eine selektive Erwärmung der erwärmten Teilbereiche T durch die Laserstrahlung 15 stattfindet. Sobald der Rohling 3 in die Endform des Kunststoffbechers (strichliniert dargestellt in 1) umgeformt worden ist, kann unter Beibehaltung des Formzwanges mit Hilfe der Vakuumpumpe 10 ein Abkühlen des Bechers stattfinden. Hat dieser eine Temperatur erreicht, in der er formstabil ist, kann mit Hilfe der Bestrahlungseinrichtung 14 durch entsprechende Ansteuerung der Strahlablenkungseinheit 19 im Bereich der oberen Randkante des hergestellten Bechers ein umlaufender Besäumungsschnitt B vorgenommen werden, wodurch der Spannflansch 23 des Rohlings 3 vom Endprodukt sauber abgetrennt wird.

Claims

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 mittels einer Heizeinrichtung, und – Umformen des Rohlings (3) in den Formraum (6) des Formwerkzeugs (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 durch das Formwerkzeug bestimmten Umformens in den Formraum.
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 den Formraum (6) des Formwerkzeugs (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 durch das Formwerkzeug bestimmten Umformens in den Formraum (6).
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, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung mit einer schnellen optischen Strahlablenkungseinheit (19) ausgerüstet ist, mittels der der Laserstrahl (15) quasisimultan auf die zusätzlich zu erwärmenden Teilbereiche (T) des Rohlings (3) richtbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch Messsensoren (22) zur Messung von Werkstückeigenschaften insbesondere von Temperatur und Materialdicke zumindest in selektiven Teilbereichen (T) des Rohlings (3).