DE1124669B - Verfahren zum Herstellen oben offener Hohlkoerper aus Kunststoff-Folien und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen oben offener Hohikörper aus Kunststoff-Folien und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Bekannte Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus Kunststoff-Folien erfordern entweder eine dem Formhohlraum ausfüllende Preßmatrize, deren Oberfläche in Übereinstirnrnung mit der Innenfläche des Hohlkörpers ausgebildet ist, oder eine Tiefziehform, deren Ausnehmung der äußeren Fläche des herzustellenden Hohlkörpers entspricht, wobei die Kunststoff-Folie mittels eines entsprechenden Stempels oder durch Erzeugen einer Druckdifferenz in die Ziehform eingepreßt oder eingezogen wird. Bei Verwendung von Preßformen, die den Hohlraum des herzustellenden Körpers ausfüllen, ist im allgemeinen der Boden des hergestellten Körpers dicker als die Seitenwände, während bei Benutzung einer Ziehform umgekehrt die Seitenflächen dicker ausfallen als die Bodenfläche. Diese Unterschiede in der Wandstärke sind besonders groß bei der Herstellung von Hohlkörpern, die rechtwinklig zu den Seitenflächen verlaufende Bodenflächen aufweisen, wie beispielsweise Hohlzylinder, Quader oder Würfel und andere tiefgezogene Gegenstände, deren Herstellung in steigendem Umfang aus Kunststoff-Folien erfolgt.
• Bei der Thermoformung dünner Folien aus Thermoplasten mit kristallinem Gefüge und definiertem Schmelzpunkt, wie Polyolefinen und Polyamiden, Polyacetalen u. dgl., tritt aber noch eine weitere Schwierigkeit auf. Diese Kunststoffe führen beim Erwärmen zu echten, flüssigen Schmelzen, die nur eine sehr geringe Kohäsion haben. Streckformen, z. B. unter dem Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases oder auch unter der Einwirkung des äußeren Luftdruckes, hat deshalb zur Folge, daß die Wände stellenweise zu dünn werden, um den Formling noch zu praktischem Gebrauch geeignet erscheinen zu lassen. Das aber würde bedeuten, daß Polyäthylen, Polypropylen und ähnliche Thermoplaste mit definiertem Schmelzpunkt, obwohl wertvolle Verpackungsstoffe für Lebensmittel, nicht zur Herstellung von dünnwandigen Behältern nach herkömmlichen Verfahren und auf herkömmlichen Maschinen verwendet werden können.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen anzugeben, das Erzeugnisse liefert, deren Wandstärken gegenüber den in Formen hergestellten Hohlkörpern aus Kunststoff-Folien wesentlich gleichmäßiger sind, obwohl die Ausgangsfolien um das Zwei- bis Zehnfache ihrer ursprünglichen Fläche (also um 200 bis 10000/o) gestreckt werden.
• Hierbei wird eine Kunststoff-Folie in verformbarem Zustand der Einwirkung eines expandierbaren Stempels ausgesetzt und durch dessen Bewegung und Aus- weitung im wesentlichen gleichmäßig gestreckt, worauf nach der Streckung und Abkühlung des Materials der Stempel zurückgezogen wird.
• Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung oben offener Hohlkörper mit einem Vieleckboden und quadratischen oder rechteckigen Seitenflächen durch Streckformung einer Folie aus thermoplastischem Kunststoff, die längs ihrer Ränder eingespannt und durch Wärme in einen verformbaren Zustand gebracht wird, kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß die Folie durch einen dehnfähigen Stempel an einer Vielzahl von Stellen erfaßt wird, die so angeordnet sind, daß beim Strecken der Folie zur Herstellung des Hohlkörpers die Flächen, die von den Kanten der eingespannten Folie und geraden Linien zwischen benachbarten Angriff-sstellen und den Ecken der Folie umgrenzt sind, daß weiter die von den geraden Linien zwischen den Angriffsstellen eingeschlossene Fläche im wesentlichen im gleichen Verhältnis gestreckt wird, worauf der Stempel vorgeschoben und im Querschnitt vergrößert wird, bis die gewünschte Streckung erzielt ist, und daß nach dem Abkühlen der Folie der Stempel wieder zurückgezogen wird.
• Verfahren und Vorrichtungen zum Thermoformen von Kunststoffen unter Verwendung mechanischer Hilfsmittel sind an sich in den verschiedensten Abarten bekanntgeworden. So wurde schon eine Vorrichtung zur Herstellung helmartiger Körper aus härtbaren Schichtstoffen beschrieben, bei der roh vorgeformte Schichtstoffe zwischen einer Außenform und einem Gummisack durch Einleiten von Dampf in den Gummisack erwärmt und in die endgültige Form gebracht werden. Dabei erfolgt aber nur eine ganz geringe Streckung der Zuschnitte. Aus diesem Grunde und wegen der sehr viel größeren Kohäsion der härtbaren Schichtstoffe treten die obenerwähnten Schwierigkeiten der Thermoformung thermoplastischer Kunststoffe mit definiertem Schmelzpunkt nicht auf Bei einem anderen Verfahren zur Umformung aushärtbarer Kunststoffe wird die zu verformende Folie zwischen zwei Gummihäuten eingespannt und durch Anlegen eines Unterdruckes in eine Form eingezogen.
• Dieses Verfahren ist eine Abwandlung des bekannten Vakuumformverfahrens, dessen Mängel im Hinblick auf die Erzielung gleichmäßiger Wandstärken auch schon zu anderen Abhilfeversuchen geführt haben (z. B. zum Streckziehformen und zum Air-slip-Verfahren). Auch bei dem erwähnten Verfahren erfolgt nur eine geringe Streckung, die unter 100 0/o liegt, so daß Schwierigkeiten auch dann nicht zu erwarten sind, wenn die Kohäsion des Kunststoffes geringer wäre, als sie es bei Duroplasten tatsächlich ist.
• Bei einem weiteren Verfahren zum Streckiormen von Thermoplastfolien wird eine erwärmte Kunststoff-Folie mittels atmosphärischen- oder Gasdruckes um einen gewissen Betrag, der unter 100 O/o liegt, gedehnt und dann auf eine starre Innenform aufgeschrumpft. Eine Expansion oder Kontraktion der Innenform findet nicht statt. Da das Verfahren mit atmosphärischem- oder Gasdruck arbeitet, ist es, wie vorstehend ausgeführt, zum Umformen dünner Folien aus kristallinen Thermoplasten nicht geeignet, da es ungleichmäßige Wandstärken liefert. Außerdem ist das Verfahren nur zur Herstellung halbrunder oder konischer Formkörper brauchbar, die nach dem Abkühlen von der Form genommen werden können.
• Prismatische Körper lassen sich nach diesem Verfahren nicht erzeugen, wenigstens nicht in Serienfertigung, da die Entformung der aufgeschrumpften Hohlkörper so schwierig sein würde, daß der Ausschuß anfall das Verfahren unwirtschaftlich gestalten würde.
• Wie dargelegt, lassen sich die bekannten Verfahren und Vorrichtungen nicht auf die Verarbeitung kristalliner Kunststoffe mit definiertem Schmelzpunkt anwenden. Das oben bereits kurz skizzierte Verfahren der Erfindung berücksichtigt dagegen deren besondere Eigenarten und gibt, wie schon erwähnt, Hohlkörper mit sehr gleichmäßigen Wandstärken. Es ermöglicht ferner die Herstellung von Behältern ohne die früher für notwendig gehaltene Abschrägung und mit quadratischen Querschnitten. Es ist leicht einzusehen, daß diese Behälter hinsichtlich der Platzersparnis beim Versand ganz erhebliche Vorteile bieten. Eine Außenform wird zur Herstellung der Formkörper nicht benutzt.
• Bei der Ausführung der Erfindung wird die Folie vorteilhafterweise anfänglich der Wirkung eines dehnfähigen Kolbens an mehreren Stellen ausgesetzt, die so über die zu verformende Folie, aus der der Hohlkörper hergestellt werden soll, verteilt sind, daß die Bereiche, die durch die Kanten der zugeschnittenen Folie und durch die geradlinige Begrenzung zwischen benachbarten Stellen sowie durch die geradlinigen Verbindungen zu den Ecken der Folie bestimmt sind, unter Einschluß des Bereiches, der von geradlinig begrenzten Flächen eingefaßt ist, im wesentlichen die gleiche Ausdehnung aufweisen, und daß diese vorbestimmten Stellen während des gesamten Streckvorganges erhalten bleiben.
• Damit der Kunststoff verformbar wird, muß die Folie zunächst einer Wärmequelle ausgesetzt werden, die wieder entfernt wird, sobald die Folie in den verformbaren Zustand gebracht ist und bevor der Streckvorgang beginnt.
• Der Stempel umfaßt vorzugsweise eine Vielzahl von aneinandergelenkten Gliedern und wird durch Hebelbewegungen dieser Glieder expandiert. Gemäß einer besonderen Ausbildungsform kann der Stempel anfänglich als Pyramidenstumpf geformt sein und zu einem Quader oder Würfel aufgeweitet werden.
• Vorliegende Erfindung erstreckt sich weiterhin auf ein Gerät zur Herstellung oben offener Hohlkörper aus Kunststoff, das mit einem Rahmen versehen ist, der eine Öffnung aufweist, die der Form der Öffnung des herzustellenden Hohlkörpers entspricht. Weiterhin sind Klemmvorrichtungen vorgesehen, um die Kunststoff-Folie im Bereich der Öffnung festzuhalten.
• Außerdem ist der dehnfähige Stempel so angeordnet, daß er durch die Öffnung des Hohlkörpers hindurchbewegt werden kann.
• Eine besondere Ausbildungsform einer Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung zur Herstellung von hohlen, oben offenen Behältern aus Kunststoff-Folien, die einen als Vieleck ausgebildeten Boden und recktwinklig dazu verlaufende Seitenwände aufweisen, umfaßt eine Haltevorrichtung, die eine Vielecköffnung in Form des späteren Bodens oder der Öffnung des Behälters aufweist, Klemmeinrichtungen zur Befestigung der die Öffnung überspannenden Kunststoff-Folie, einen axial durch die Öffnung hindurch beweglichen, senkrecht über der Öffnung angeordneten Stab, der von einer zurückgezogenen Stellung, in welcher er außerhalb der Öffnung liegt, in eine vorgeschobene Lage, in welcher er sich durch die Öffnung erstreckt, axial durch die Öffnung zu bewegen ist, ein Gestell, welches auf dem Stab geleitet, eine Mehrzahl gleichartiger Glieder entsprechend der Eckenanzahl der Öffnung, wobei diese Glieder am Ende des Gestelles an den Stellen, die mit den Ecken der zugehörigen Öffnungen des herzustellenden Hohlkörpers übereinstimmen, angelenkt sind, eine gleiche Anzahl von weiteren Gliedern, ebenfalls in der Anzahl der Ecken in der Öffnung, wobei jedes Glied an einem Ende des zugehörigen ersten Gliedes, und zwar mit dem vom Gestell am weitesten entfernten Ende, angelenkt ist, während das andere Ende mit dem Teil der Stange, der in der zurückgezogenen Stellung nahe der Öffnung liegt, gelenkig verbunden ist und eine flexible Verbindung zwischen denjenigen Teilen der erstgenannten Glieder, die an die zweitgenannten Glieder angelenkt sind.
• Die Zeichnung zeigt die beispielsweise Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäß ausgebildeten Verfahrens, und zwar zur Herstellung eines kubischen Behälters.
• Fig. 1 gibt in schaubildlicher Darstellung das Gerät vor Beginn der Verformung wieder; Fig. 2 veranschaulicht die Aufteilung der Kunststoff-Folie nach Fig. 1; Fig. 3 gibt eine Ansicht in Richtung der Pfeile 3-3 nach Fig. 1 wieder; Fig. 4 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 3 nach beendetem Verformungsvorgang.
• Der in den Zeichnungen dargestellte Stempel besteht aus einer Stange 5, die in einem Formstück 6 endet, an welches vier stabförmige Glieder 7 angelenkt sind, die eine solche Länge und Lage aufweisen, daß bei horizontaler Stellung der Glieder 7 deren Enden in je einer Ecke der quadratischen Grundfläche des fertig hergestellten Behälters liegen, aus einer quadratischen Platte 8, deren Größe mit der Grundfläche des Behälters übereinstimmt und die im Mittelpunkt eine Öffnung aufweist, in der die Stange 5 rechtwinklig zur Fläche der Platte 8 gleitet, weiter aus vier stabförmigen Gliedern 9, die mit einem Ende an je eine Ecke der Platte 8 und am anderen Ende an den zugehörigen Gliedern 7 angelenkt sind; außerdem sind die mit den Gliedern 7 verbundenen Teile der Stäbe 9 durch flexible Drähte 10 verbunden. Es sind auch Auflager 11 vorgesehen, die die Ecken der Platte 8 seitlich überragen. An der Stange 5 sind schließlich verstellbare, ringförmige Feststellmittel 12 und 13 angeordnet, die die Bewegung des Stabes 5 in bezug auf die Platte 8 begrenzen.
• In der Nähe des Stempels liegen Haltevorrichtungen, bestehend aus einer Platte 14 mit einer in ihr befindlichen, quadratischen Öffnung in der Größe, die der Grundfläche des Hohlkörpers entspricht. Diese Platte ist so angeordnet, daß die Stange 5 im Mittelpunkt der genannten Öffnung geführt ist. Weiterhin vorgesehen ist eine Platte 15, die ebenfalls eine mit der Öffnung der Platte 14 übereinstimmende Öffnung aufweist. Die Platten sind durch Schrauben 16 miteinander verbunden. Zwischen den Teilen 14 und 15 ist eine Platte 17 von Kunststoff [Polyäthylen (C2 H4)j in einer Dicke von 1 bis 3 mm angeordnet, welche auf die Erweichungstemperatur gebracht ist.
• Der Rand der Platte wird zwischen den mit Schrauben 16 verbundenen Teilen 14 und 15 gehalten.
• Wenn der Stempel abwärts bewegt wird, wobei das Feststellmittel 13 an der Unterseite der Platte 8 zur Anlage kommt, werden die Glieder 7 mit der Kunststoff-Folie 17 an den Punkten A, B, C und D (vgl.
• Fig. 2) in Berührung gebracht. Die Lage des Formstückes 6, die Länge der Glieder 7 und 9 sowie die Lage des Feststellmittels 13 sind so gewählt, daß die Teile P, Q, R, S und T der Platte gleich groß sind und jeweils ein Fünftel der Fläche der Kunststoff-Folie 17, die sich inerhanlb der Öffnung der Platte 14 und 15 befindet, betragen. In weiterer Abwärtsbewegung des Stempels wird der Teil T in bezug auf die Teile 14 und 15 nach unten bewegt. Die Folie wird in den Teilen P, Q, R und S gleichmäßig gestreckt, bis die Auflager 11 auf der Platte 15 zur Auflage kommen. Bei weiterer Abwärtsbewegung des Stabes 5 gleitet der Stab durch die Platte 8, da diese durch die Auflager 11 auf dem Teil 15 in ihrer Stellung festgelegt ist, bis die Abwärtsbewegung durch das Feststellmittel 12 beendet wird. In dieser Lage verlaufen die Glieder 7 senkrecht zu den Gliedern 9, und der Draht 10 ist gespannt, wie dies in Fig. 4 dar- gestellt ist. Durch die letztgenannte Bewegung der Glieder 7 und 9 wird der Teil T (Fig. 2) gestreckt, so daß eine kubische Form des Kunststoffkörpers entsteht. Dabei bilden die Teile P, Q, R, S und T jeweils eine Seite des Würfels, so daß jeder dieser Teile in gleichem Maße ausgedehnt ist. Der Kolben wird in der gedehnten Stellung gehalten, bis der Kunststoff in der kubischen Form ausreichend abgekühlt ist; er wird anschließend zurückgezogen.
• Beim Zurückziehen des Stabes 5 nach oben werden die Glieder 7 und 9 in die Lage, die in den Fig. 1 und 3 wiedergegeben ist, zurückgeführt. Die flexiblen Drähte 10 werden entspannt und das Feststellmittel 12 von seiner Auflage auf der Platte 8 so weit abgehoben, bis das Feststellmittel 13 an der Unterseite der Platte 8 zur Anlage kommt, so daß der Kolben aus den Teilen 14 und 15 herausgezogen und der kubische Behälter aus den Befestigungs- und Klemmmitteln entnommen werden kann. Der Vorgang wird mit weiteren Kunstharzplatten wiederholt durchgeführt.
• Die Erfindung findet Anwendung bei Kunststoff-Folien, die eine dauernde Verformung durch Druck ermöglichen entweder in erhitztem oder unerhitztem Zustand, und ist insbesondere anwendbar bei thermoplastischen Stoffen, welche in viskose Schmelzen überführbar sind, z. B. Polyäthylene, amorphe Polyäthylen-Terephthalate und Kondensationsprodukte aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure (Nylon).
• Die Polyäthylenfolien in obigem Beispiel können ersetzt werden durch amorphe Polyäthylen-Terephthalat Platten zwischen 0,125 und 1,25 mm Dicke.
• Die thermoplastischen Folien können vor dem Verformen in bekannter Weise bis zur Schmelztemperatur erwärmt werden. Es kann beispielsweise eine Heizvorrichtung unter der Platte angeordnet werden, nachdem die Platte in der Klemmeinrichtung zwischen den Teilen 14 und 15 angeordnet worden ist, wobei die Wärmequelle vor der Verformung entfernt werden muß.
• Das Verfahren vorliegender Erfindung kann mit dem herkömmlichen Differenzdruckverfahren zur Herstellung tiefgezogener Körper vereinigt werden, bei denen auf Grund ihrer Form gleichmäßige Wandstärken mit dem letztgenannten Verfahren allein nur schwer erzielt werden können.
• Beispielsweise kann das Gerät, welches in den Fig. 1 und 4 beschrieben ist, verändert werden, um hohle, oktogonale Prismen herzustellen, und zwar, indem die Platte 8 und die Öffnungen in den Platten 14 und 15 in Form von Achtecken ausgebildet und jeweils acht Glieder 7 und 9 verwendet werden. Die Klemmeinrichtung müßte unter Erhaltung eines Luftaustrittsspaltes über der Öffnung der zylindrischen Hohlform angeordnet werden. Der Durchmesser der Hohlform soll etwa 50/o größer als eine Diagonale des Achteckes sein. Die Platte 8 bildet dabei mit den Klemmitteln einen luftdichten Abschluß, wenn sich der Stempel in seiner untersten Stellung befindet. Nach Herstellung des hohlen, oktogonalen Prismas durch oben beschriebenes Verfahren kann die Luft in das besagte Prisma geblasen werden, um eine weitere Ausdehnung des Hohlkörpers zu einem Hohlzylinder zu erwirken, der im wesentlichen in seiner gesamten Ausdehnung die gleiche Wandstärke aufweist.
• Es wurde ermittelt, daß es möglich ist, Polyäthylenfolien bei Anwendung oben bezeichneten Verfahrens und des oben bezeichneten Gerätes auf über das Zehnfache ihrer ursprünglichen Flächenabmessungen auszudehnen.

Claims (2)

1. PATENTAN SPRÜCHE: 1. Verfahren zum Herstellen oben offener Hohlkörper mit einem Vieleckboden und quadratischen oder rechteckigen Seitenflächen durch Streckformung einer Folie aus thermoplastischem Kunststoff, die längs ihrer Ränder eingespannt und durch Wärme in einen verformbaren Zustand gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie durch einen dehnfähigen Stempel an einer Vielzahl von Stellen erfaßt wird, die so angeordnet sind, daß beim Strecken der Folie zur Herstellung des Hohlkörpers die Flächen (Fig. 2: P, Q, R, S), die von den Kanten der eingespannten Folie und geraden Linien zwischen benachbarten Angriffs stellen und den Ecken der Folie umgrenzt sind, daß weiter die von den geraden Linien zwischen den Angriffs stellen eingeschlossene Fläche (2) im wesentlichen im gleichen Verhältnis gestreckt wird, worauf der Stempel vorgeschoben und im Querschnitt vergrößert wird, bis die gewünschte Streckung erzielt ist, und nach dem Abkühlen der Folie wieder zurückgezogen wird.
2. 2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anordnung einer Platte (14) mit einer Vielecköffnung in Form des Querschnittes des herzustellenden Hohlkörpers, einer Klemmvorrichtung(16) zum Einspannen der Folie (17) längs der Kanten der Öffnung sowie eines über diesen Teilen liegenden dehnfähigen Stempels, bestehend aus einer rechtwinklig und axial zu der Öffnung hin beweglichen Stange (5), die in zurückgezogener Stellung sich außerhalb der Öffnung befindet, während sie in vorgeschobener Stellung durch die Öffnung hindurchragt, und bestehend weiter aus einem Rahmengestell (8), das um die Stange angeordnet und relativ zu ihr beweglich ist und an dem entsprechend der Anzahl der Ecken der Öffnung eine Reihe von Gliedern in gleicher Ebene mit der Stange (5) angebracht ist, wobei Glieder (9) einer ersten Gruppe in ihrer Länge gleich der Tiefe des herzustellenden Hohlkörpers, Glieder (7) einer zweiten Gruppe in ihrer Länge gleich dem Abstand der betreffenden Ecken von der Bewegung linie der Stange (5) und die Glieder untereinander angelenkt sind, während die freien Enden der Glieder (9) der ersten Gruppe an dem Rahmengestell (8) in einem der Länge der Glieder (7) der zweiten Gruppe entsprechenden Abstand und die freien Enden der Glieder (7) der zweiten Gruppe an dem der Platte (14) zugewandten Ende der Stange (5) gelenkig angebracht sind, bestehend ferner aus biegsamen Gliedern (10), die ebenso lang wie die entsprechenden Seiten der Öffnung in der Platte (14) sind und die benachbarten Paare der Verbindungen der Glieder (9) der ersten Gruppe mit den Gliedern (7) der zweiten Gruppe verbinden sowie bestehend schließlich aus Feststellmitteln (12, 13) auf der Stange (5), die die Relativbewegung der Stange (5) zum Rahmengestell (8) zwischen einer ersten Stellung, in der die Glieder (7) der zweiten Gruppe zur Stange (5) senkrecht stehen, und einer zweiten Stellung begrenzen, bei der das Verhältnis einer jeden Fläche (P, Q, R, s), die von den Kanten der Öffnung in der Platte (14) durch gerade Linien zwischen benachbarten Paaren der geometrischen Projektionen (A, B, C, D) in der Ebene der Öffnung der Verbindungen der Glieder(9) der ersten Gruppe mit den Gliedern (7) der zweiten Gruppe und durch gerade Linien zwischen den bezeichneten geometrischen Projektionen und den Ecken der genannten Öffnung begrenzt sind, zu der entsprechenden Fläche in der ersten Stellung und das Verhältnis der Fläche (T), die durch gerade Linien zwischen den Paaren der geometrischen Projektionen eingeschlossen ist, zu der Öffnungsfläche im wesentlichen gleich sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 948 639; USA.-Patentschriften Nr. 2365637, 2420522, 2666951.